Пигменты фотосинтезирующих систем. Зеленый пигмент растения

Почему трава, а также листья на деревьях и кустах зеленые? Виной всему хлорофилл. Можно взять прочную веревку знаний и завязать с ним крепкое знакомство.

История

Проведем небольшой экскурс в сравнительно недалекое прошлое. Жозеф Бьенеме Каванту и Пьер Жозеф Пеллетье - вот кому нужно пожать руку. Мужи науки постарались отделить зеленый пигмент из листьев разных растений. Старания увенчались успехом в 1817 году.

Пигмент наименовали хлорофилл. От греческого chloros - зеленый, и phyllon - лист. Независимо от вышесказанного, в начале 20 века Михаил Цвет и Рихард Вильштеттер пришли к выводу: оказывается, в хлорофилл входит несколько компонентов.

Засучив рукава, Вильштеттер принялся за работу. Очистка и кристаллизация выявили два компонента. Назвали их просто, альфа и бета (а и b). За труды в поле исследования данного вещества в 1915 году ему торжественно вручили премию Нобеля.

В 1940 Ханс Фишер предложил всему миру окончательную структуру хлорофилла «а». Король синтеза Роберт Бернс Вудворд и несколько ученых из Америки получили в 1960 году ненатуральный хлорофилл. Так и приоткрылась завеса тайны - появление хлорофилла.

Химические свойства

Формула хлорофилла, определенная из опытных показателей, выглядит так: C 55 H 72 O 5 N 4 Mg. В конструкцию входит органическая (хлорофиллин), а также спирты метиловый и фитол. Хлорофиллин - это металлорганическое соединение, имеющее прямое отношение к магнийпорфиринам и содержащее азот.

MgN 4 OH 30 C 32

Хлорофилл значится сложным эфиром из-за того, что оставшиеся части метилового спирта CH 3 OH и фитола C 20 H 39 OH заместили водород карбоксильных группировок.

Выше размещена структурная формула хлорофилла альфа. Разглядев ее внимательно, можно увидеть, что у бета-хлорофилла на один атом кислорода больше, но на два атома водорода меньше (группа CHO вместо CH 3). Отсюда молекулярная масса альфа-хлорофилла ниже, чем у бета.

В середине частицы интересующего нас вещества обосновался магний. Он соединяется с 4 атомами азота пиррольных формирований. Систему элементарных и сменяющихся двойных связей можно наблюдать в пиррольных связках.

Хромофорное формирование, удачно вписываемое в состав хлорофилла - это и есть N. Оно делает возможным впитывание отдельных лучей солнечного спектра и его цвет, независимо от того, что горит, как пламя, а вечером похоже на тлеющие угли.

Перейдем к размерам. Порфириновое ядро в диаметре 10 нм, фитольный фрагмент оказался длинной в 2 нм. В ядре хлорофилл составляет 0,25 нм, меж микрочастицами пиррольных группок азота.

Хотелось бы отметить, что атом магния, который входит в состав хлорофилла, в диаметре всего 0,24 нм и практически полностью заполняет свободное место между атомами пиррольных группировок азота, что помогает ядру молекулы быть более крепким.

Можно прийти к выводу: из двух составляющих под нехитрым названием альфа и бета и состоит хлорофилл (a и b).

Хлорофилл a

Относительная - 893,52. Создают в отделенном пребывании микрокристаллы черного цвета с голубым отливом. При температуре 117-120 градусов Цельсия они расплавляются и перевоплощаются в жидкость.

В этаноле такие же хлороформы, в ацетоне, а еще бензолах растворяются охотно. Результаты принимают сине-зеленую окраску и имеют отличительную особенность - насыщенная красная флуоресценция. Плохо растворяются в петролейном эфире. В воде не распускаются вовсе.

Формула хлорофилла альфа: C 55 H 72 O 5 N 4 Mg. Вещество по своей химической конструкции относят к хлоринам. В кольце к пропионовой кислоте, а именно к ее остатку, прикреплен фитол.

Кое-какие растительные организмы, вместо хлорофилла a, образуют его аналог. Здесь этильную группу (-CH 2 -CH 3) во II пиррольном кольце сменила винильная (-CH=CH 2). Такая молекула заключает в себе первую винильную группу в кольце один, вторую в кольце два.

Хлорофилл b

Формула хлорофилла-бета имеет следующий вид: C 55 H 70 O 6 N 4 Mg. Молекулярный вес вещества составляет 903. У атома углерода C 3 в пиррольном кольце два, обнаруживается немного спирта, лишенного водорода -H-C=O, который обладает желтым цветом. Это и есть отличие от хлорофилла a.

Смеем заметить, что в специальных постоянных частях клетки, жизненно важных для ее дальнейшего существования пластидах-хлоропластах, пребывают несколько типов хлорофиллов.

Хлорофиллы c и d

У криптомонад, динофлагеллятов, а также у бациллариофициевых и бурых водорослей найден хлорофилл с. Классический порфирин - вот чем отличается этот пигмент.

У водорослей красной окраски хлорофилл d. Некоторые сомневаются в его существовании. Полагается, что он является только продуктом вырождения хлорофилла a. На данный момент можно уверенно сказать, что хлорофилл с литерой d - это основной краситель кое-каких фотосинтезирующих прокариотов.

Свойства хлорофилла

После продолжительных исследований возникло доказательство, что в особенностях хлорофилла, пребывающего в растении и добытого из него, замечена несхожесть. Хлорофилл в растениях соединен с белком. Об этом свидетельствуют следующие наблюдения:

1. Спектр впитывания хлорофилла в листе другой, если сравнить его с извлеченным.
2. Чистым спиртом из высохших растений предмет описания достать нереально. Протекает экстракция благополучно при хорошо увлажненных листьях, либо следует долить в спирт воду. Именно она разбивает связанный с хлорофиллом белок.
3. Материал, вытянутый из листьев растений, быстро разрушается под влиянием кислорода, концентрированной кислоты, световых лучей.

Зато хлорофилл в растениях устойчив ко всему вышеперечисленному.

Хлоропласты

В растениях хлорофилла содержится 1% от сухого вещества. Найти можно в особых органеллах клетки - пластидах, что показывает неравномерное распределение его в растении. Пластиды клеток, окрашенные в зеленый цвет и имеющие в себе хлорофилл, имеют название хлоропласты.

Количество H 2 O в хлоропластах колеблется от 58 до 75%, содержимое сухого вещества состоит из белков, липидов, хлорофилла и каротиноидов.

Функции хлорофилла

Удивительное сходство обнаружили ученые в устройстве молекул хлорофилла и гемоглобина - главного дыхательного компонента человеческой крови. Отличие состоит в том, что в клешневидном соединении посередине в пигменте растительного происхождения размещен магний, а в гемоглобине - железо.

В ходе фотосинтеза растительность планеты поглощает углекислый газ, выделяет кислород. Вот еще одна замечательная функция хлорофилла. По деятельности его можно сравнить с гемоглобином, но объем воздействия на человеческий организм несколько больше.

Хлорофилл - это растительный пигмент, чувствительный к свету и покрытый зеленым цветом. Далее идет фотосинтез, при котором его микрочастицы преобразовывают энергию солнца, поглощаемую клетками растений, в химическую энергию.

Можно прийти к следующим умозаключениям, что фотосинтез - это процесс преобразования энергии солнца. Если доверять современным сведениям, замечено, что протекание синтеза органических веществ из газа углекислого и воды с использованием световой энергии разложено на три этапа.

Этап №1

Данная фаза вершится в процессе фотохимического распада воды, при содействии хлорофилла. Отмечается выделение молекулярного кислорода.

Этап №2

Здесь наблюдается несколько окислительно-восстановительных реакций. В них берут активное содействие цитохромы и иные переносчики электронов. Реакция происходит за счет световой энергии, переносимой электронами от воды на NADPH и образующей ATP. Тут запасается световая энергия.

Этап №3

Уже образовавшиеся NADPH и ATP пускаются в ход для преобразования углекислого газа в углевод. Поглощенная энергия света участвует в реакциях 1 и 2 этапов. Реакции последнего, третьего, происходят без участия света и называются темновыми.

Фотосинтез - это единственный биологический процесс, проходящий с возрастанием свободной энергии. Прямо или косвенно обеспечивает доступной химической предприимчивостью обитающих на земле двуногих, крылатых, бескрылых, четвероногих и прочие организмы.

Гемоглобин и хлорофилл

Молекулы гемоглобина и хлорофилла имеют сложную, но в то же время схожую атомарную структуру. Общим в их строении является профин - кольцо из маленьких колечек. Различие замечено в отросточках, присоединённых к профину, и в атомах, расположенных внутри: атом железа (Fe) у гемоглобина, у хлорофилла магний (Mg).

Хлорофилл и гемоглобин по строению похожи, но формируют разные белковые структуры. Вокруг атома магния сформирован хлорофилл, вокруг железа - гемоглобин. Если взять молекулу жидкого хлорофилла и отсоединить фитольный хвост (20 углеродную цепь), поменять атом магния на железо, то зеленый цвет пигмента станет красным. В итоге - готовая молекула гемоглобина.

Усваивается хлорофилл легко и быстро, благодаря именно такому сходству. Хорошо поддерживает организм при кислородном голодании. Насыщает кровь нужными микроэлементами, отсюда она лучше транспортирует важнейшие для жизни вещества к клеткам. Происходит своевременный выброс отработанных материалов, токсинов, отходов, возникающих в результате естественного обмена веществ. Имеет воздействие на спящие лейкоциты, пробуждая их.

Описываемый герой без страха и упрека защищает, укрепляет мембраны клетки, помогает восстановиться соединительной ткани. К заслугам хлорофилла можно отнести быстрое заживление язв, разных ран и эрозий. Улучшает иммунную работу, выделена способность купировать патологические нарушения молекул ДНК.

Положительная тенденция при лечении инфекционных и простудных заболеваний. Это не весь список добрых дел рассмотренного вещества.

Уже давно было подмечено, что лишенные окраски клетки и органы растения (например, корни) не способны фотосинтезировать. Особенно наглядны в этом отношении альбиносы (от лат. альбус - белый) - неокрашенные проростки, развивающиеся иногда у высших растений даже при хорошем освещении. Отсутствие окраски вызывается у таких растений какими-то внутренними факторами, препятствующими образованию особых красящих веществ - пигментов (от лат. пигментум - краска) при самых благоприятных для этого внешних условиях. При полном альбинизме, который довольно часто можно наблюдать у кукурузы, проростки не способны осуществлять фотосинтез и поэтому погибают от истощения вскоре после появления двух или трех листочков. Частичный альбинизм обычно встречается при пестролистности, когда белыми и не способными к фотосинтезу оказываются отдельные участки листа. Пестролистные формы отличаются своеобразной красотой и в связи с этим широко используются как декоративные растения.

Явление альбинизма у растений свидетельствует об огромной роли пигментов для фотосинтетической деятельности. Установлено, что процесс фотосинтеза связан прежде всего с поглощением света пигментами пластид. Энергия солнечной радиации сможет превратиться в химическую энергию образующихся при этом органических веществ только в том случае, если она сначала будет поглощена пигментами фотосинтезирующих систем и в первую очередь зеленым пигментом - хлорофиллом.

Пигменты фотосинтезирующих систем можно разделить на три основные группы: хлорофиллы, каротиноиды и фикобилипротеиды. Пигментный состав различных фотосинтезирующих систем неодинаков и зависит от принадлежности растения к той или иной систематической группе.

Важнейшие представители пигментов фотосинтезирующих систем у различных групп растений

Условные обозначения:

+ наличие пигмента; - отсутствие; ? - очень малое количество; пустые клетки - не было исследований.

Для обозначения различных форм хлорофилла используются буквы латинского алфавита: а, b , с, d .

Из таблицы видно, что среди различных форм хлорофилла наибольшее распространение имеет хлорофилл a - обязательный компонент пластид всех фотосинтезирующих растений. Хлорофилл a отсутствует у пурпурных и зеленых серобактерий, для которых характерна наиболее примитивная форма синтеза органических веществ, так называемый бактериальный фотосинтез или фоторедукция. Эти бактерии восстанавливают CO 2 в анаэробных условиях до уровня органических веществ за счет энергии солнечного света с использованием сероводорода или некоторых других неорганических веществ, при этом не происходит выделения молекулярного кислорода. Вместо хлорофилла a пурпурные серобактерии содержат бактериохлорофилл, а зеленые серобактерии - бактериовиридин.

Строение пигментов

Изучение химических свойств хлорофилла a позволило расшифровать его структуру. Правильность предложенной структурной формулы подтверждена полным синтезом хлорофилла, осуществленным в 1960 г. почти одновременно в лабораториях М. Штрелля и Р. Вудварда. Основу молекулы хлорофилла составляют четыре пиррольных кольца (I, II, III и IV). Пиррол представляет собой пятичленное циклическое соединение. Остатки пиррольных колец, соединяясь между собой, образуют ядро молекулы хлорофилла, в центре которого помещается атом магния. Он соединяется с азотом пиррольных колец, причем два атома азота соединяются с магнием своими основными валентностями, а два других - дополнительными валентностями. Зеленый цвет хлорофилла как раз и определяется наличием металла в его молекуле. В этом легко убедиться, стоит только осторожно подействовать на спиртовую вытяжку хлорофилла кислотой. Магний замещается двумя атомами водорода из кислоты и получается бурый продукт - феофитин. Восстановить зеленый цвет вытяжки можно путем добавления какой-либо соли магния или другого двухвалентного металла.

Одной из специфических черт хлорофиллов является наличие в их молекуле добавочного кольца из пяти углеродных атомов (V). Кислотная, или карбоксильная, группа (-СООН) этого кольца соединена эфирной связью с метиловым спиртом (СН 3 ОН). Вторая карбоксильная группа, находящаяся около четвертого пиррольного кольца, соединена эфирной связью с другим спиртом - фитолом (С 20 Н 39 ОН).

Таким образом, по своей химической природе хлорофилл (см. его структурную формулу на обложке книги) - сложный эфир двухосновной кислоты хлорофиллина, в одном карбоксиле которой водород замещен остатком метилового спирта (-СН 3), а в другом - остатком фитола (-С 20 Н 39).

Интересно отметить, что наличие остатка фитола обусловливает липофильность молекулы хлорофилла, проявляющуюся в его растворимости в жировых растворителях. Кроме того, остаток фитола играет существенную роль в образовании комплексов хлорофилла с липоидами. Выделенный в чистом виде фитол напоминает бесцветную воскообразную массу.

По своей химической природе хлорофилл весьма близок к некоторым важным дыхательным ферментам, а также к красящему веществу крови - гему гемоглобина. Общность химической природы двух основных пигментов живых организмов, а именно хлорофилла растений и гемоглобина животных, заключается в том, что у гема также имеется ядро, состоящее из четырех соединенных друг с другом пиррольных колец, в центре которого находится атом металла, только у хлорофилла - это магний, а у гема - железо. Исследования С. Граника, Т. Н. Годнева и других ученых показали, что биосинтез хлорофилла и гема осуществляется на начальных этапах аналогичным путем из одних и тех же веществ. Эти факты сходства в строении в способе образования хлорофилла и гема гемоглобина еще раз указывают на родство происхождения столь отдаленных организмов, как растения и животные.

Помимо хлорофилла a, обладающего сине-зеленой окраской, в хлоропластах зеленых водорослей и высших растений обнаружена еще другая форма желто-зеленого цвета - хлорофилл b. В отличие от хлорофилла a, имеющего эмпирическую формулу C 55 H 72 O 5 N 4 Mg, хлорофилл b содержит лишь на два атома водорода меньше и на один атом кислорода больше. В структурном отношении это незначительное различие сводится к тому, что вместо метильной группы (-СН 3) при втором пиррольном кольце у хлорофилла b имеется альдегидная группа COH. Красные водоросли содержат два зеленых пигмента: хлорофиллы a и d, очень близкие по структуре. Они различаются только тем, что у хлорофилла d при первом пиррольном кольце стоит не винильная группа (-СН = СН 2), а альдегидная. У бурых и диатомовых водорослей вместо хлорофилла b содержится хлорофилл с, который в отличие от других форм лишен остатка фитола.

Пурпурные серобактерии имеют весьма близкий к хлорофиллу a бактериохлорофилл. Небольшое различие состоит в том, что у этого пигмента при первом пиррольном кольце находится вместо винильной ацетильная группа (-СО-СН 3), а также на два атома водорода больше во втором пиррольном кольце. Характерный для зеленых серобактерий бактериовиридин (иногда его называют хлоробиум-хлорофиллом) изучен пока недостаточно полно, состав и строение окончательно еще не установлены. Известно только, что он не дает характерных реакций на присутствие в его молекуле пятого кольца и содержит вместо фитола транс-фарнезол (C 15 H 26 O).

Наряду с хлорофиллами к постоянным компонентам комплекса пигментов фотосинтезирующих систем относятся каротиноиды. Обычно это желтые, оранжевые и светло-красные пигменты, которые хорошо растворяются в жирах и растворителях жиров, но не растворяются в воде. Как правило, их окраска маскируется интенсивным зеленым цветом хлорофиллов. Поэтому в природе только осенью, когда преимущественно происходит разрушение зеленых пигментов, листья желтеют и каротиноиды становятся доступными для непосредственного наблюдения.

К основным каротиноидам пластид относятся каротины, представляющие собой ненасыщенные углеводороды (эмпирическая формула C 40 H 56), и их кислородсодержащие производные - ксантофиллы.

Молекулы большинства каротиноидов имеют вид длинной углеродной цепи, которая часто заканчивается на одном или на обоих концах кольцом ионона. Атомы углерода соединяются друг с другом в длинную цепь посредством чередующихся одинарных и двойных связей. Такие связи называются конъюгированными, их наличие в молекуле обусловливает характерную окраску каротиноидов.

Пластиды высших растений и большинства водорослей содержат до восьми и больше различных каротиноидов. Кратко остановимся на характеристике некоторых из них.

Типичными, широко распространенными каротиноидами высших растений являются β-каротин, лютеин и виолаксантин. β-каротин - это желто-оранжевый пигмент. Название его происходит от латинского слова карота - морковь, в корнях которой отлагается значительное количество его в виде желто-оранжевых кристаллов. К β-каротину близок по составу и структуре лютеин. Это желтый пигмент из группы ксантофиллов, представляющий собой двухатомный спирт с эмпирической формулой С 40 Н 56 О 2 , причем обе спиртовые группы (-ОН) находятся в кольцах ионона. Другим близким к лютеину пигментом из группы ксантофиллов является виолаксантин с эмпирической формулой С 40 Н 56 О 4 . Он имеет в своем составе на два атома кислорода больше, чем лютеин. Установлено, что эти два атома кислорода входят в состав иононовых колец в виде добавочных эпокси-группировок (> O), отличающихся большой лабильностью и реакционной способностью.

К группе ксантофиллов относится также и фукоксантин (от лат. фукус - род бурых водорослей и от греч. ксантос - желтый), встречающийся у бурых и диатомовых водорослей. Он имеет оранжево-бурый цвет, близок по своим свойствам к лютеину и виолаксантину, однако состав и структура его окончательно еще не выяснены, поэтому в эмпирической формуле (С 40 Н 54-60 О 6) указывается возможное количество атомов водорода.

Набор каротиноидов в хроматофорах фоторедукторов (пурпурные и зеленые серобактерии) существенно отличается от такового в хлоропластах фотосинтетиков. Для фоторедукторов характерно отсутствие пигментов из группы ксантофиллов, содержащих эпокси-группировки. Основным каротиноидом зеленых серобактерий оказался желтый пигмент, γ-каротин, у которого имеется только одно иононовое кольцо. Что касается пурпурных серобактерий, то у них широко распространены ликопин и другие близкие к нему каротиноиды ациклического типа, не имеющие в своем составе ни одного иононового кольца.

Помимо хлорофиллов и каротиноидов, красные и сине-зеленые водоросли содержат еще дополнительные пигменты, хорошо растворимые в воде, так называемые фикобилипротеиды, к которым относятся фикоэритрины (красного цвета) и фикоцианы (сине-фиолетового цвета). Само название указывает на то, что в химическом отношении эти пигменты представляют собой сложные белки - протеиды. Небелковыми компонентами у них служат обусловливающие окраску фикобилины, которые связываются с белками в сложные комплексы. Связь небелковой группы с белком настолько прочна, что отделить фикобилины от белка можно лишь путем кипячения с сильными кислотами.

Небелковым компонентом у фикоэритринов является мезобилиэритрин, а у фикопианов - мезобиливиолин, структура которых представлена на рисунке. Как видно, фикобилины имеют в своем составе четыре пиррольных кольца, соединенных друг с другом в виде развернутой цепи, однако в деталях структура их окончательно еще не установлена. Важно подчеркнуть, что фикобилины весьма близки по своей химической природе к желчным пигментам животных.

Теперь кратко остановимся на вопросе о количественном содержании основных представителей различных групп пигментов и о их соотношении. Общее количество хлорофилла невелико и составляет в среднем около 1 % от сухого вещества листа, но оно может сильно варьировать, изменяясь у водорослей от 0,6 до 1,5%, а у высших наземных растений от 0,7 до 1,3%. Даже в пределах одного и того же растения разные листья часто значительно отличаются по содержанию зеленых пигментов, Хрофилла а всегда больше, на три его молекулы обычно приходится одна молекула хлорофилла b. Однако у теневых листьев и теневыносливых растений хлорофилла b больше, чем у светолюбивых. Так, у многих зеленых водорослей, произрастающих в условиях сильного затенения, среднее отношение хлорофилла a к хлорофиллу b снижается до 1,4. Вместе с тем их соотношение у исключительно светолюбивых растений в среднем доходит до 5,5.

В нормально развитых листьях каротиноидов гораздо меньше, чем. зеленых пигментов, примерно в 3-5 раз, а иногда даже еще меньше. Отношение же ксантофиллов к каротину может изменяться в зависимости от вида растений и условий их произрастания в очень широких пределах, от 1,8 до 15, но в среднем оно таково, что на 2-3 молекулы ксантофиллов приходится одна молекула каротина.

По данным В. Н. Люб именно, отношение фикоэритрина к хлорофиллу колеблется у разных видов красных водорослей от 0,06 до 0,66. Содержание фикоэритрина возрастает с увеличением глубины обитания этих водорослей. В среднем на одну квантосому приходится 230 молекул хлорофилла и 48 молекул каротиноидов.

Оптические свойства и состояние пигментов

Глубоко понять механизм процесса фотосинтеза возможно лишь на основе современных представлений о физических свойствах пигментов и их состоянии в живой клетке. Основная функция пигментов фотосинтезирующих систем заключается в поглощении света. Отсюда понятно то исключительно важное значение, какое имеет познание оптических свойств различных пигментов и в первую очередь их спектров поглощения.

Поглощение световой энергии пигментами осуществляется не сплошным, а избирательным образом и зависит от структуры молекулы данного пигмента. Явление это может наблюдаться как в видимой части солнечного спектра, так и в невидимых участках (инфракрасном и ультрафиолетовом), однако особый интерес представляют спектры поглощения пигментов только в интервале фотосинтетически активной радиации (380-720 ∙ 10 -9 м).

Хлорофиллы a, b, с, d, а также бактериовиридин имеют два основных максимума поглощения в красной и сине-фиолетовой частях спектра с незначительными различиями в их положении. Как видно на рисунке, у хлорофилла b максимум поглощения в красной части спектра несколько смещен в сторону коротковолновых лучей, а в сине-фиолетовой части, наоборот, в сторону длинноволновых лучей по сравнению с положением аналогичных максимумов у хлорофилла а.

Спектры поглощения растворов зеленых пигментов показывают, что сине-фиолетовые и красные лучи поглощаются интенсивно, тогда как зеленые и желтые - очень слабо, поэтому последние хорошо проходят через эти пигменты, обусловливая их цвет. Поскольку желтые лучи маскируются зелеными, окраска хлорофилла получается зеленая. Однако тот же самый раствор хлорофилла, имеющий в проходящих лучах зеленую окраску, в отраженном свете воспринимается как вишнево-красный благодаря явлению флуоресценции.

Флуоресценция (от англ. флуэреснт - свечение) представляет собой кратковременное свечение, прекращающееся практически одновременно с прекращением освещения данного вещества. Способность к такого рода свечению является очень важным оптическим свойством зеленых пигментов, указывающим на их значительную фотохимическую активность. Это свойство гораздо лучше обнаруживается не на живых листьях, а на растворах зеленых пигментов, потому что свечение хлорофилла, находящегося в клетках листа, примерно в 10 раз слабее, чем в растворе. Красное свечение хлорофилла легко наблюдать, если рассмотреть его вытяжку (например, спиртовую) со стороны падающего света, а за пробиркой с вытяжкой поместить черный фон, поглощающий все проходящие через нее лучи. При этом естественно возникает вопрос: почему окраска вытяжки хлорофилла в отраженном свете не такая, как в проходящем? Постараемся кратко объяснить это.

Свет поглощается дискретно, т. е. порциями в виде квантов, или фотонов. Энергию кванта (Е) можно выразить, как E = h ∙ v, где h - постоянная Планка, v - частота колебаний света, обратно пропорциональная длине волны. В основном, устойчивом состоянии молекулы хлорофилла каждый электрон находится на определенном энергетическом уровне и обладает соответствующим запасом энергии. Поглощение кванта света приводит к переходу электрона на более высокий энергетический уровень, при этом молекула становится возбужденной с избыточным количеством энергии. Однако время, в течение которого молекула существует в возбужденном состоянии, чрезвычайно мало, примерно 10 -9 сек, а следовательно, возбужденное состояние неустойчиво и вскоре происходит возвращение молекулы к более устойчивому состоянию с меньшим запасом энергии, или к исходному. Возбужденная молекула может терять энергию несколькими путями, наиболее важным из которых является путь превращения этой энергии в химическую энергию. Кроме того, энергия возбужденной молекулы может либо рассеиваться в виде тепловой энергии как внутримолекулярным, так и межмолекулярным путем, либо испускаться в виде кванта света. При флуоресценции возбужденные молекулы испускают кванты света, обладающие меньшей энергией, а значит, большей длиной волны по сравнению с теми квантами, которые вызывают это свечение. Каждое вещество испускает лучи определенной длины волны, т. е. имеет свой специфический спектр флуоресценции. По таким спектрам можно довольно легко отличить одно флуоресцирующее вещество от другого.

Спектр флуоресценции хлорофилла имеет только один основной максимум свечения, приходящийся на более длинноволновую красную область спектра в сравнении с максимумом поглощения в этой же области. Это значит, что при флуоресценции хлорофилл всегда испускает только длинноволновые красные лучи даже в том случае, когда он освещается синими или фиолетовыми лучами. Вот почему вытяжка хлорофилла имеет в отраженном свете темно-красную окраску.

Кроме зеленых пигментов, флуоресцировать способны и фикобилипротеиды, причем фикоциан в растворе обнаруживает красное свечение, фикоэритрин - оранжевое. Каротиноиды же обычно считаются не способными к флуоресценции.

Ученых давно интересовало, в каком состоянии находится хлорофилл в хлоропласте. Особое состояние пигментов в живой клетке убедительно доказывается, в частности, несовпадением их оптических свойств со свойствами растворов тех же самых пигментов, например несовпадением спектров поглощения, а также спектров флуоресценции. Максимумы поглощения хлорофиллов и ряда других пигментов, находящихся в живой клетке, оказываются сильно сдвинутыми в длинноволновую область по сравнению с максимумами поглощения света растворами этих пигментов. Так, раствор бактериохлорофилла имеет в инфракрасной области спектра только один максимум поглощения при 770-780 ∙ 10 -9 м (7700-7800 Å), тогда как этот же пигмент, но находящийся в клетках пурпурных серобактерий, обнаруживает три максимума поглощения, причем все они приходятся на более длинноволновый участок инфракрасных лучей: 800, 850 и 890 ∙ 10 -9 м (8000, 8500 и 8900 Å). Максимум флуоресценции бактериохлорофилла живых клеток также значительно сдвинут в длинноволновую часть и приходится на 900-920 ∙ 10 -9 м вместо 780-790 ∙ 10 -9 м - положения максимума флуоресценции этого пигмента в растворе.

До недавнего времени широкое распространение имело положение, высказанное крупнейшим специалистом в области фотосинтеза В. Н. Любименко, что особое состояние зеленых пигментов в живой клетке обусловливается связью их с белками. Однако сейчас накопилось достаточно экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что специфику оптических свойств хлорофиллов живых клеток недостаточно объяснить только связью их с белками. А. А. Красновский, Т. Н. Годнев и другие установили возможность существования одного и того же пигмента живой клетки в нескольких формах, причем некоторым из них свойственно агрегированное состояние с разным характером упаковки молекул. Оказалось, что положение максимумов поглощения на спектрах хлорофилла а, бактериохлорофилла и бактериовиридина зависит от характера агрегации. В качестве примера, иллюстрирующего влияние агрегации пигмента на его спектры, приведем результаты опытов по изучению бактериохлорофилла, находящегося в живых клетках (пурпурные бактерии) и модельных системах; эти опыты проведены А. А. Красновским с сотрудниками. В некоторых случаях модельными системами служили твердые пленки, которые получались путем выпаривания эфирного раствора бактериохлорофилла в вакууме, т. е. в условиях, заведомо содействующих агрегации молекул пигмента.

Хорошее совпадение спектров поглощения и спектров флуоресценции твердых пленок этого пигмента с соответствующими спектрами пурпурных бактерий указывает на наличие в живых клетках агрегированных форм бактериохлорофилла. В настоящее время считается, что пурпурные бактерии содержат три различно агрегированные формы зеленого пигмента. В соответствии с положением основных максимумов поглощения в инфракрасной части спектра при 800, 850 и 890 ∙ 10 -9 м эти формы бактериохлорофилла принято обозначать как Б800, Б850 и Б890.

Проблема множественности форм хлорофилла приобрела исключительно важное значение после того, как было установлено, что первичный процесс фотосинтеза включает в себя не одну фотохимическую реакцию, а две и что различные формы пигмента могут осуществлять самостоятельно специфические функции.

Спектры всех каротиноидов в видимой области характеризуются двумя или тремя интенсивными полосами поглощения в сине-фиолетовой части. Спектры поглощения фикоэритрина и фикоциана близки между собой, их максимумы приходятся на зеленую и желтую части спектра, располагаясь между двумя основными полосами поглощения зеленых пигментов. Это позволяет считать, что фикобилипротеиды наряду с каротиноидами являются дополнительными пигментами к хлорофиллу.

Адаптация к условиям освещения

Фикоциан и фикоэритрин как дополнительные пигменты играют существенную роль в адаптации (приспособлении) растений к условиям освещения, обеспечивая наилучшее использование солнечной энергии для фотосинтеза.

Адаптацию к качеству и интенсивности света можно наглядно видеть на примере вертикального распределения морских водорослей в зависимости от их окраски: в самых поверхностных слоях воды преобладают зеленые водоросли, в самых глубоких - красные, бурые водоросли занимают промежуточное положение. Такое распределение водорослей вызывается следующими причинами. Спектральный состав и интенсивность солнечного света, проходящего через толщу воды, претерпевают большие изменения. Поглощаясь избирательно, солнечный свет обедняется в первую очередь красными лучами, и на глубине в несколько метров он становится синевато-зеленоватым, практически лишенным красных лучей, которые полностью гасятся на глубине примерно 20 м. В связи с этим появление в процессе эволюции дополнительных к хлорофиллу пигментов, интенсивно поглощающих зеленые и желтые лучи, обеспечило красным и бурым водорослям возможность использования для фотосинтеза тех участков солнечного света, которые достигают больших глубин. Можно сказать, что наличие у бурых и красных водорослей дополнительных пигментов следует рассматривать как специальное приспособление к условиям освещения, и в первую очередь как хроматическую адаптацию к наилучшему использованию лучей преобладающей окраски, проходящих через толщу воды.

Кроме того, при прохождении света через толщу воды резко снижается и его интенсивность. Так, свет, проникающий на 20-метровую глубину, ослаблен по сравнению с освещенностью водной поверхности примерно в 20 раз. Поэтому у глубоководных морских водорослей, помимо хроматической адаптации, хорошо выражено также и приспособление к использованию света очень низкой интенсивности. Глубоководные водоросли с полным основанием могут быть отнесены к типичным «тенелюбивым» растениям с высоким содержанием пигментов, в связи с чем прямой солнечный свет повреждает их.

Что касается наземных растений, то у них первостепенное значение имеет адаптация к интенсивности света, поскольку интенсивность света подвержена колебаниям в большей мере, чем его спектральный состав. Хроматическая адаптация выражена у них слабо и проявляется в изменении соотношений между разными пигментами хлоропластов, главным образом между хлорофиллом a и хлорофиллом b, а также между хлорофиллами и каротиноидами.

Адаптация к интенсивности света у наземных растений проявляется в существовании тенелюбивых и светолюбивых типов. У тенелюбивых растений, произрастающих, например, под пологом леса, хорошо выражена адаптация к условиям слабого освещения. Как известно, затененные листья отличаются гораздо более высоким содержанием зеленых пигментов в целом, что содействует лучшему поглощению света низкой интенсивности. Кроме того, листья теневыносливых растений содержат больше хлорофилла Ь, ив этом как раз нетрудно усмотреть приспособление к несколько измененному спектральному составу света, проникающего под полог леса. В тени под нависающей сверху листвой рассеянный свет относительно обогащен коротковолновыми лучами в области 450-480 ∙ 10 -9 м, которые интенсивно поглощаются хлорофиллом 6, иногда называемым в связи с этим теневым зеленым пигментом.

Биосинтез пигментов

Исключительно большие успехи достигнуты за последние 20 лет в области изучения биосинтеза пигментов. Особенно глубоко к настоящему времени изучен биосинтез хлорофилла. С помощью меченых атомов, бумажной хроматографии и других современных методов исследования удалось почти полностью расшифровать химизм всех основных этапов формирования молекулы хлорофилла, определить их последовательность, а также выяснить условия, необходимые для протекания тех или иных реакций, и ферментные системы, катализирующие отдельные реакции. Мы не имеем возможности остановиться здесь подробно на всех реакциях биосинтетической цепи хлорофилла, опишем лишь вкратце основные этапы и приведем структурные формулы важнейших промежуточных соединений.

Начальный этап биосинтеза молекулы хлорофилла a включает ряд реакций, в результате которых из несложных органических веществ - аминокислоты гликокола (NH 2 -СН 2 -СООН) и янтарной кислоты (НООС-СН 2 -СН 2 -СООН) - возникает δ-аминолевулиновая кислота, а при конденсации двух молекул этой кислоты образуется порфобилиноген.

Один из следующих важных этапов складывается из реакций, приводящих сначала к синтезу основного структурного ядра хлорофилла путем соединения четырех молекул порфобилиногена, а затем к образованию протохлорофиллида а, имеющего уже в своем составе атом магния. После этого происходит восстановление протохлорофиллида, присоединяющего два атома водорода за счет двойной связи четвертого пиррольного кольца, и превращение его в хлорофиллид а. Для подавляющего большинства видов растений эта реакция является фотохимической и происходит только в присутствии света. Исключение составляют многие водоросли, а также некоторые представители мхов и папоротников, у которых реакция восстановления может осуществляться и в темноте.

Вслед за фотохимическим восстановлением имеет место присоединение к хлорофиллиду а фитола, которое не нуждается в присутствии света, но осуществляется при участии фермента хлорофиллазы. Присоединение фитола - это заключительный этап биосинтетической цепи, на котором хлорофиллид а превращается в хлорофилл а.

Раньше считалось, что к протохлорофиллиду сначала присоединяется не водород, а фитол, а затем уже образующийся при этом протохлорофилл восстанавливается фотохимически до хлорофилла. Получалось, что непосредственным предшественником хлорофилла следовало признать протохлорофилл. Сравнительно недавно было установлено, что хотя образование протохлорофилла в растении таким путем и не исключается, однако последний этап биосинтеза хлорофилла осуществляется главным образом через хлорофиллид, который служит основным предшественником хлорофилла.

С помощью меченых атомов показано, что хлорофилл a является в свою очередь предшественником хлорофилла b. При этом одновременно было доказано, что биосинтез хлорофилла b из хлорофилла а не нуждается в обязательном участии света и может происходить даже в полной темноте.

Хлорофилл с может образовываться в растениях, согласно предположению С. Граника, из протохлорофиллида а, поскольку оба эти соединения имеют невосстановленное четвертое пиррольное кольцо и лишены фитольного остатка.

Биосинтез каротиноидов изучен пока недостаточно полно и не все его звенья установлены окончательно. До сих пор не расшифрован химизм отдельных реакций и не выявлена природа соединений, которые служат непосредственными предшественниками различных каротиноидов. Лучше всего изучены начальные этапы, и можно считать окончательно доказанным, что биосинтез каротиноидов и фитола идет одним и тем же путем по крайней мере до образования мевалоновой кислоты.

Установлено также, что свет стимулирует биосинтез как каротиноидов, так и фитола. Хотя образование этих веществ протекает интенсивнее на свету, свет все-таки не обязателен для их биосинтеза. Дальнейшие этапы перехода от мевалоновой кислоты, имеющей в своем составе шесть углеродных атомов, к фитолу, содержащему двадцать углеродных атомов, и тем более к каротиноидам, содержащим сорок углеродных атомов, окончательно еще не установлены и трактуются по-разному.

В ходе исследования биосинтеза зеленых пигментов возникло представление о возможной связи между образованием и разрушением молекул хлорофилла. В дальнейшем с помощью изотопного метода Ф. В. Турчину, В. М. Кутюрину, А. А. Шлыку и другим удалось обнаружить и изучить процесс обновления хлорофилла. По мнению А. А. Шлыка, полученные экспериментальные данные позволяют говорить пока что о главном способе обновления хлорофилла - через распад молекул, ранее образовавшихся, и полный синтез новых. Скорость обновления может изменяться в зависимости как от вида растения, так и от условий произрастания. По предварительным данным, в течение суток обычно обновляется около 10% общего числа всех имеющихся молекул. Однако в некоторых случаях скорость обновления может быть очень низкой, граничащей с полной приостановкой этого процесса.

С помощью изотопного метода выяснена также особая роль только что синтезированных («молодых») молекул в обмене хлорофилла. Особая роль «молодых» молекул обусловлена тем, что они находятся в более реакционноспособном, более лабильном (подвижном) состоянии, чем «старые» молекулы. Причем повышенной лабильностью обладают «молодые» молекулы хлорофилла a и хлорофилла b. Об этом свидетельствуют различия в свойствах «молодых» и «старых» молекул. Например, «молодые» молекулы хлорофилла a легче экстрагируются органическими растворителями, легче теряют окраску и разрушаются при действии кислот, ультразвука или при отсутствии света, а также легче превращаются в хлорофилл b.

Биосинтез пигментов представляет собой цепь процессов, которые протекают не изолированно и самостоятельно, а находятся во взаимосвязи со всем обменом веществ и жизнедеятельностью растительного организма. Большое влияние на биосинтез пигментов оказывает также действие различных факторов внешней среды, в том числе и действие света, о чем говорилось выше. Так, образование хлорофилла возможно только при наличии кислорода в окружающей среде. Отсутствие кислорода тормозит этот процесс, как и понижение температуры. По данным Т. Н. Годнева и его сотрудников, синтез хлорофилла у некоторых вечнозеленых растений может наблюдаться при температуре не ниже -2°, а каротиноидов - не ниже -5°, в то время как способность осуществлять фотосинтез сохраняется у этих видов растений даже при - Небольшое влияние на образование хлорофилла оказывают условия минерального питания. Широко известно явление хлороза у растений (от греч. хлорос - зеленовато-желтый, бледный), когда листья бедны хлорофиллом и имеют желтоватую окраску. Наиболее часто хлороз вызывается отсутствием или недостатком в питательной среде железа, но эта связь наблюдается не всегда. Хлоротичные растения могут развиваться и при недостатке или отсутствии в окружающей среде магния, меди, серы, калия и некоторых других элементов минерального питания. Недостаток калия вызывает хлороз, так же как и избыточные количества этого элемента при недостаточно хорошем азотном питании. При недостатке азота наблюдается резкое ослабление синтеза хлорофилла. Отсутствие или недостаток магния в почве также неизбежно вызывает хлороз растений, поскольку этот элемент входит в состав молекулы хлорофилла.

Значение хлорофилла и каротина для медицины

Хлорофилл и другие пигменты независимо от их роли и значения для фотосинтеза сами по себе являются ценными органическими веществами. Очень важна близость химического состава каротина и витамина А. Каротин можно рассматривать как провитамин А, поскольку при расщеплении его молекулы пополам с присоединением кислорода образуется две молекулы этого витамина. У животных такое расщепление каротина до витамина А происходит при участии особого фермента - каротиназы, который содержится в их печени.

Все более широкое применение в медицине в последнее время находит и хлорофилл. Ценные терапевтические свойства хлорофилла, вероятно, можно объяснить тем, что по своему строению он весьма близок к красящему веществу гемоглобина крови. Поэтому нет ничего неожиданного в том, что в организме человека и животных хлорофилл содействует усиленному образованию гема гемоглобина крови, а также способствует заживлению ран. Кроме того, оказалось, что свойства хлорофилла и витаминов во многом сходны.

Длительном контакте с железом в присутствии влаги. Получающийся при этом газ, названный «дефлогистированным селитряным воздухом», уже не изменял своей окраски при смешивании с обычным воздухом (в отличие от исходного «селитряного воздуха»), а свеча горела в нем также ярко, как и в обычном «дефлогистированном воздухе» горящая лучина способствует превращению «дефлогистированного селитряного воздуха» в обычный «флогистированный воздух». 1) Приведите формулы и современные названия всех шести видов воздуха, описанных Дж. Пристли. 2) Приведите по одному уравнению реакций получения каждого из них. 54. Норвежская селитра, используемая в качестве удобрения, содержит 11,86 % азота. 1) Установите ее формулу. 2) Почему эта селитра называется норвежской, ведь в Норвегии (в отличие от Чили) нет селитряных залежей? 3) Какое отношение к норвежской селитре имеют Вольта и Биркеленд? 55. Во второй половине XIX века русский химик Н.Н. Бекетов предложил способ получения металлического рубидия. Для этого он нагревал в железном цилиндре, снабженном трубкой-холодильником и приемником, смесь гидроксида рубидия и порошкообразного алюминия. Из записей Н.Н. Бекетова: «Рубидий гонится постепенно, стекая, как ртуть, и сохраняя свой металлический блеск вследствие того, что снаряд во время операции наполнен водородом». 1) Напишите уравнение реакции, осуществленной Н.Н. Бекетовым. 2) В знакомом вам ряду напряжений металлов рубидий стоит намного левее алюминия. Как можно объяснить протекание этой реакции? 3) Можно ли применить этот процесс для получения металлического лития? 56. Йод был открыт в 1811 г. французским химиком Бернаром Куртуа. Рассказывают, что однажды в лаборатории кошка, которая всегда спокойно сидела на плече Куртуа, внезапно спрыгнула на стол, где стояли колбы с реактивами. Они разбились, и в воздух поднялись клубы фиолетового «дыма» - пары йода. Йодид натрия, полученный из водорослей, взаимодействуя с серной кислотой, дает йод I2; одновременно образуется «сернистый газ» – диоксид серы SO2. Рассчитайте суммарный объем газов (при н.у.), выделившихся в результате взаимодействия 15 г NaI с избытком серной кислоты, а также относительную плотность (по воздуху) D образовавшейся газовой смеси, если степень превращения реагента α составляет 90 %. 22 Примеры заданий теоретического тура для 10 класса Задача 1. На чашках весов уравновешены химические стаканы с 0,1 г металлического алюминия в каждом. Как изменится равновесие весов, если в один стакан прилить 5%-ный раствор соляной кислоты массой 10 г, в другой – 5%-ный раствор гидроксида натрия массой 10 г. Решение: Металлический алюминий реагирует с соляной кислотой и гидроксидом натрия согласно уравнениям: 2Al + 6 HCl → 2 AlCl3 + 3 H2 2Al + 2 NaOH + 6 H2O → 2 Na + 3 H2 При одной и той же массе прореагировавшего алюминия в обоих случаях выделяется одинаковое количество водорода. Следовательно, если алюминий растворится полностью, то равновесие весов не изменится. В случае неполного растворения алюминия перевесит та чашка весов, где меньшая доля алюминия вступит в реакцию. В 5%-ных растворах массой 10 г содержится по 0,5 г (10⋅0,05) соляной кислоты и гидроксида натрия. M(Al)=27г/моль M(HCl)= 36,5 г/моль M(NaOH)= 40 г/моль Найдем, сколько потребуется соляной кислоты и гидроксида натрия для растворения алюминия массой 0,1 г. Al массой 27⋅ 2 г вступает в реакцию с HСl массой (36,5⋅ 6) г Al массой 0,1 г вступает в реакцию с HCl массой х г х=0,406 г HCl Al массой 27⋅ 2 г вступает в реакцию с NaOH массой (40⋅ 2) г Al массой 0,1 г вступает в реакцию с NaOH массой y г y=0,148 NaOH Оба вещества HCl и NaOH взяты в избытке, поэтому в обоих стаканах произойдет полное растворение алюминия и равновесие весов не нарушится. Задача 2. Вычислите относительную плотность по азоту смеси газов, состоящей из бутана C4H10, если в этой смеси на три атома углерода приходится один атом кислорода. Решение: Формула для определения средней молярной массы смеси ν1 М1 + … + νn Mn M(ср.) = m(cм.)/ ν(cм.) = ν1 + … + νn M(C4H10) = 58г/моль М(СО2) = 44 г/моль M(N2) =28 г/моль 23 Запишем количество атомов углерода, приняв, что смесь содержит один моль атомов кислорода: ν(O) = 1 моль ν (С) = 3 моль Вычислим количество углекислого газа, учитывая, что углекислый газ содержит один моль атомов кислорода: ν(СО2) = ν (О) / 2 = 1 моль/ 2 = 0,5 моль ν1 (С) = ν(СО2) = 0,5 моль Вычислим количество атомов углерода в бутане: ν2 (С) = 3 моль – 0,5 моль – 2,5 моль ν (С4Н10) = ν(С) / 4 = 2,5 моль / 4 = 0,625 моль Вычислим среднюю молярную массу смеси бутана и углекислого газа: 0,625 моль ⋅58 г/моль + 0,5 моль ⋅44 г/моль М(ср.) = = 51,78 г/моль (0,625 + 0,5) моль Вычислим относительную плотность смеси газов по азоту: DN (см.) = 51,78 / 28 = 1,85 Задача 3. Хлорофилл является важным пигментом, обусловливающим зеленый цвет листьев растений. При сжигании 89,2 мг хлорофилла в избытке кислорода получаются только следующие четыре вещества: 242 мг газа, которым обычно газируют напитки; 64,8 мг жидкости, составляющей основу этих напитков; 5,6 мг газа, которого больше всего в земной атмосфере и 4,00 мг белого порошка, который является оксидом легкого широко используемого металла, составляющего приблизительно 2,3 % земной коры. 1) О каких веществах идет речь? 2) Рассчитайте формулу хлорофилла, учитывая, что его молекула содержит только один атом металла. 3) Напишите уравнение реакции горения хлорофилла. 4) Содержит ли хлорофилл хлор? Откуда взялось название «хлорофилл»? 5) Приведите пример природного вещества, содержащего фрагмент структуры сходного строения. Решение: 1. Напитки газируют углекислым газом, сами напитки состоят большей частью из воды, самый распространенный газ в земной атмосфере – азот, а порошок является оксидом магния. 2. Рассчитываем соотношение элементов в молекуле: n(CO2) = 242/44 = 5,5 ммоль, m (C)= 5,5⋅ 12 = 66 мг n(H2O)= 64?8/18 = 3,6 ммоль, m(H) = 3,6⋅ 2=7,2 мг n(N2) = 5,60/28 = 0,2 ммоль n(MgO) = 40/4,00 = 0,1 ммоль, m(Mg) = 0,1⋅ 24=2,4 мг m(O2) = 89,2 – 66 – 7,2 – 5,6 – 2,4 = 8 мг, n(O) = 8/16 = 0,5 ммоль. 24 Соотношение С:Н:N:О:Mg = 5,5:7,2:0,4:0,5:0,1 =55:72:4:5:1, откуда формула хлорофилла: C55H72N4O5Mg 3. C55H72N4O5Mg + 71 O2 = 55 CO2 + 36 H2O + 2 N2 + MgO 4. Греческое слово «хлорос» означает «зеленый». Отсюда название и хлора и хлорофилла. 5. Самые известные – краситель крови гем (гемоглобин) и производные гема и хлорофилла. Задача 4. Основатель всесоюзных и всероссийских химических олимпиад школьников профессор Московского государственного университета Альфред Феликсович Платэ рассказывал, что в годы Великой Отечественной войны ему было поручено срочно исследовать содержимое двухлитровой тонкостенной металлической ампулы, находившейся в пилотской кабине сбитого вражеского истребителя. По результатам анализа эта жидкость содержала 22 % углерода, 4,6 % водорода и 73,4 % брома (по массе). Результаты анализа ввергли инженеров и военных специалистов в недоумение. Выскажите ваши соображения о том, с какой целью эта тонкостенная ампула с необычным содержимым была закреплена в пилотской кабине. Решение: Соотношение между числом атомов элементов в изученной жидкости: С: H: Br = (22/12) : 4,6: (73,4/80) = 1,83: 4,6: 0,92 = 2: 5: 1. Формула исследуемой жидкости – C2H5Br. Естественно, что обнаружение значительного количества этого вещества и к тому же в необычной упаковке вызвало недоумение, пока одному из химиков- экспериментаторов не пришла в голову очень простая мысль: этилбромид кипит при температуре +38°С и помещен в пилотскую кабину в качестве потенциального противопожарного средства! При пожаре ампула лопается, и пары этилбромида, которые почти в 4 раза тяжелее воздуха, на некоторое время изолируют очаг пожара, прекращая распространение огня. Задача 5. Рассмотрите цепочку превращений: 1. А = Б + В 2. Б + C2H5Cl = Г 3. Г + C2H5Cl = Д + А 4. Б + TiCl4 = А + Е 5. Б + C4H8Cl2 = А + Ж 6. Б + N2O4 = И + NO Расшифруйте вещества А – И, если известно, что вещество А придает горький вкус морской воде, Б, В и Е являются простыми веществами, реакции 1 и 4 проходят при высокой температуре, реакция 1 идет под действием электрического тока, реакцию 2 проводят в диэтиловом эфире. 1) Напишите уравнения реакций 1 – 6. 2) Что может представлять собой вещество Ж и назовите его. 25 Решение: Горький вкус морской воде придают соединения магния. Поскольку при электролизе расплава вещества А получаются два простых вещества, то очевидно, что это галогенид магния, а именно его хлорид, как это следует из реакции 4. При взаимодействии с хлорэтаном идет реакция присоединения. Поскольку галогены с предельными углеводородами могут вступать в реакции замещения, то Б – это магний. Поскольку в реакции образуется только одно вещество, то вещество Г – продукт присоединения магния, магний-органическое вещество, реактив Гриньяра. А – MgCl2 Б – Mg В – Cl2 Г – C2H5MgCl Д – C4H10 Е – Ti Ж – C4H8 И – Mg(NO3)2 MgCl2 = Mg + Cl2 Mg + C2H5Cl = C2H5MgCl C2H5MgCl + C2H5Cl = C4H10 + MgCl2 2 Mg + TiCl2 = 2 MgCl2 +Ti C4H8Cl2 + Mg = C4H8 + MgCl2 Mg + 2 N2O4 = Mg(NO3)2 + 2 NO В зависимости от взаимного расположения атомов хлора в молекуле C4H8Cl2 могут получаться различные продукты. В случае, если атомы хлора расположены у одного атома углерода, может в заметных количествах образовываться октен. Если атомы хлора расположены у двух соседних атомов углерода, получаются непредельные углеводороды CH2=CH-CH2-CH3 (бутен-1) или CH3-CH=CH-CH3 (бутен-2). Когда атомы хлора находятся через два атома углерода, могут получаться циклические углеводороды (циклобутан) в незначительных количествах. Задания для самостоятельного решения 1. К 130 мл смеси азота, водорода и метана добавили кислород объемом 200 мл и смесь подожгли. После окончания горения и конденсации паров воды общий объем составил 144 мл при тех же условиях, а после пропускания продуктов сгорания через избыток раствора щелочи объем уменьшился на 72 мл. Найдите исходные объемы азота, водорода и метана. 2. Определите строение и назовите соединение бензольного ряда состава С9Н8, если известно, что оно обесцвечивает бромную воду, вступает в реакцию Кучерова, реагирует с амидом натрия. При окислении перманганатом калия исходное соединение дает бензойную кислоту. 3. Вы, конечно, знаете общие формулы членов гомологических рядов – метана, этена, этина. Попытайтесь вывести общую формулу членов любых 26 гомологических рядов (необязательно углеводородов), если известна формула первого члена этого ряда. 4. При сжигании некоторого газообразного углеводорода в хлоре расходуется трехкратный объем хлора. А при сжигании этого же углеводорода в кислороде расход окислителя по массе уменьшается в 1,48 раза. Какой это углеводород? 5. Теплоты сгорания метана и водорода равны соответственно 890 и 284 кДж/моль. При сгорании 6,72 л водородо-метановой смеси (н.у.) выделилось 148 кДж. Какой объем кислорода при этом израсходовался? 6. Легкокипящий углеводород, существующий в виде двух геометрических изомеров, имеет плотность паров 2,93 г/л при давлении 1215,6 ГПа и температуре 67о С. Установите его строение и приведите структурные формулы всех изомерных ему ациклических углеводородов. 7. В результате сложной химической реакции образуется смесь бромбензола C6H5Br и йодбензола C6H5I. Чтобы изучить механизм реакции, химику необходимо точно знать процентное содержание обоих соединений в полученной смеси. Смесь подвергается поэлементному анализу. Однако элементный анализ на Br и I отдельно не всегда возможен. Определите процентное содержание C6H5Br и C6H5I в смеси, если известно, что в ней углерода a %, а сумма (Br и I) составляет 1%. 8. Пары этилового спирта разложили над нагретым оксидом алюминия. Образовавшийся газ пропускали через 250 мл 0,4 М раствора брома до тех пор, пока окраска брома полностью не исчезла. Какой объем газа (н.у.) прореагировал с бромной водой? Какое количество продукта при этом получилось? 9. Омыление сложных эфиров ускоряется при действии щелочей. Для гидролиза некоторых эфиров обычно берут 6%-ный раствор гидроксида натрия (плотность 1,0 г/см3) из расчета 150 мл раствора щелочи на 1 г эфира. Сколько 40%-ной (плотность 1,4 г/см3) надо взять, чтобы прогидролизовать 6 г эфира? 10. Соединение содержит водород, массовая доля – 6,33; углерод, массовая доля – 15,19; кислород, массовая доля - 60,76, и еще один элемент, число атомов которого в молекуле равно числу атомов углерода. Определите, что это за соединение, к какому классу оно относится и как ведет себя при нагревании. 11. Предсказанный на основании теории строения и полученный А.М. Бутлеровым углеводород А пропустили над алюмо-хромовым катализатором дегидрирования при 450о С, при этом получилось два горючих газа: более летучий Б и менее летучий В. Газ В пропустили через водный раствор серной кислоты с массовой долей 64%. Происходит катализируемая кислотой димеризация вещества В, подчиняющаяся правилу Марковникова. В результате этой реакции образуется смесь двух изомерных жидких продуктов Г и Д с относительной молекулярной массой примерно вдвое большей, чем у исходного А. Продукты Г и Д после отделения от раствора кислоты и высушивания подвергли обработке горючим газом Б в 27 присутствии катализатора – скелетного никеля. Из Г и Д образовалось одно и тоже вещество Е, находящее применение как эталон автомобильного горючего с октановым числом 100. Дайте названия веществам А, Б, В, Г, Д и Е. Напишите схемы происходящих реакций. 12. Некоторое количество углеводорода состава СnH2n-2 дает с избытком хлора 21,0 г тетрахлорида. То же количество углеводорода с избытком брома дает 38,8 г тетрабромида. Выведите молекулярную формулу этого углеводорода и напишите его возможные структурные формулы. 13. При полном гидролизе смеси карбидов кальция и алюминия образуется смесь газов, которая в 1,6 раз легче кислорода. Определите массовые доли карбидов в исходной смеси. 14. При гидрировании ацетилена объемом 672 мл (н.у.) получили смесь этана и этилена, которая обесцвечивает раствор брома в тетрахлориде углерода массой 40 г, массовая доля брома в котором составляет 4%. Определите количество этана и этилена в смеси и их мольные доли. 15. Через последовательно соединенные электролизеры с инертными электродами, содержащие: первый – раствор хлорида бария, второй – раствор сульфита калия с одинаковыми количествами веществ, пропускают электрический ток. Электролиз прекратили, когда проба раствора из первого электролизера после подкисления ее избытком азотной кислоты перестала давать осадок с раствором нитрата серебра, а на аноде этого электролизера выделилось 1,12 л газа. Полученные в результате электролиза растворы смешали. Определите состав и массу выпавшего осадка. 16. При сгорании 1 моль метана выделяется 802 кДж тепла. Какой объем метана нужно сжечь (при н.у.), чтобы нагреть кусок меди массой 100 г от 20 до 50оС? Удельная теплоемкость меди 0,38 кДж/кг оС. 17. Жидкость А реагирует с фенолом в присутствии NaОН по схеме А + 2 С6Н5ОН, образуя ароматическое вещество Б (температура кипения меньше, чем у фенола), не дающее окрашивания с FeCl3; образуется также сульфат натрия. Сульфат натрия и метанол образуются и при нагревании А с водным NaОН. На основании данных условия задачи установите структуру вещества А; ответ обоснуйте. 18. Некоторый альдегид Б является следующим за альдегидом А в гомологическом ряду альдегидов. 19 г альдегида Б прибавили к 100 г водного раствора альдегида А с массовой долей последнего 23%. Добавление аммиачного раствора AgNO3 к 2 г раствора альдегидов вызывает выделение 4,35 г серебра. 19. Газы, образовавшиеся при полном сгорании ацетилена и пропена объемом 1,12 л (н.у.), пропущены через раствор гидроксида калия объемом 0,3 л, молярная концентрация которого равна 0,5 моль/л. Полученный при этом раствор может поглотить еще 0,448 л диоксида углерода. Определите состав исходной смеси в процентах по объему. 20. Для проведения некоторых химических реакций в лаборатории необходимо иметь «абсолютный спирт», практически не содержащий воды. 28 Как можно его приготовить из обычного спирта – ректификата, содержащего около 4% влаги? 21. 30 мл пропан-бутановой смеси смешали в эвдиометре с 200 мл кислорода и взорвали. До взрыва реакционная смесь имела температуру 127о С и нормальное давление. После приведения условий к исходным объем газов в эвдиометре составил 270 мл. Какой состав в объемных процентах имеет пропан-бутановая смесь? 22. Прокалили 17,5 г нитрата неизвестного металла в атмосфере инертного газа. Летучие продукты собрали и охладили. При этом образовалось 13,5 г 70%-го раствора азотной кислоты. Установите формулу нитрата. 23. Смесь, состоящую из метана и кислорода, взорвали. После приведения к первоначальным (комнатным) условиям оказалось, что плотность увеличилась в полтора раза (по сравнению с плотностью исходной смеси). Пропускание продуктов через избыток раствора Ca(OH)2 дает 13 мл непоглотившегося газа. Рассчитайте: а) состав смесей до и после взрыва (по объему); б) объем исходной смеси. Приведите уравнения реакций. 24. В избытке кислорода сожгли 1,00 г 10%-ного раствора неизвестного вещества в ледяной уксусной кислоте, причем израсходовали 672 мл кислорода (н.у.). При этом образовались только вода (0,569 мл) и углекислый газ (708 мл при н.у.). Раствор какого вещества сожгли? С какими из предложенных веществ оно способно реагировать: KOH, HI, CH3 – CH = CH – CH3? Напишите уравнения реакций. 25. На нейтрализацию 4,36 г смеси муравьиной, уксусной и щавелевой кислот расходуется 45 см3 2 н раствора щелочи. При полном окислении такой же навески образуется 2464 см3 углекислого газа (н.у.). В каком молярном отношении смешаны кислоты? 26. Объем углекислого газа, образовавшегося в результате сжигания углеводорода с относительной плотностью по водороду менее 25, составляет 4/7 суммы объемов прореагировавших углеводорода и кислорода. Какова формула углеводорода? 27. Через горячий 10%-ный раствор муравьиной кислоты массой 75 г пропускали газообразный хлор до тех пор, пока массовые доли обеих кислот в растворе не стали равными. Определите массу образовавшихся кислот. 28. В XVI в. немецкий химик Андреас Либавий нагреванием серебристой жидкости с порошком HgCl2 и последующей конденсацией выделяющихся паров получил тяжелую (ρ=2,23 г/см3) прозрачную жидкость, которую назвал «спирт сулемы». При действии сероводорода на «спирт сулемы» образуются золотисто-желтые пластинки, называемые «сусальным золотом», причем 1 объем «спирта сулемы» может прореагировать с 383 объемами сероводорода (н.у.). Если же подействовать на «спирт сулемы» 29 водным раствором аммиака, то образуется белый осадок гидроксосоединения, обладающего амфотерными свойствами. 1) Что представляют собой исходная серебристая жидкость, которую использовал Либавий, «спирт сулемы», а также «сусальное золото»? 2) Можно ли отнести «спирт сулемы» к полярным растворителям? Почему? 3) Напишите уравнения всех упомянутых в условии химических реакций. 29. На Международном конгрессе химиков в 1860 году было принято следующее определение: «Молекула – это наименьшее количество вещества, участвующее в реакции». В настоящее время удается получить молекулярный хлорид натрия – в виде отдельных молекул, изолированных в твердом аргоне при температуре около 10 К (-263°С). 1) Как может отличаться химическая активность молекулярного и кристаллического хлорида натрия в реакциях без участия растворителей (при одинаковых условиях)? 2) Каковы возможные причины такого отличия? 30. Х.А. Армстронг, автор статьи «Химия», помещенной в девятом издании «Британской энциклопедии» (1878), писал, что Менделеев предложил для атомного веса урана значение 240 вместо старого значения 120, установленного Берцелиусом. При этом Армстронг отдавал предпочтение третьему значению, равному 180. Как теперь известно, прав был Менделеев. Истинная формула урановой смолки – U3O8. Какую формулу могли бы написать для этого минерала Берцелиус и Армстронг? 31. А.Е. Фаворский в 1887 г. провел следующие исследования: а) при взаимодействии 2,2–дихлорбутана с порошкообразным КОН образовался углеводород состава С4Н6, который при обработке аммиачным раствором оксида серебра дал серебряное производное; б) при обработке 2,2–дихлорбутана спиртовым раствором щелочи образовался углеводород того же состава, но не вступающий в реакцию с аммиачным раствором оксида серебра. Дайте объяснения этим явлениям. 32. Первая мировая война. На Западном фронте в Бельгии, вдоль реки Ипр, все атаки германской армии отражались хорошо организованной обороной англо-французских войск. 22 апреля 1915 г. в 17 часов со стороны немецких позиций между пунктами Биксшуте и Лангемарк над поверхностью земли появилась полоса белесовато-зеленого тумана, который через 5-8 мин продвинулся на тысячу метров и бесшумной гигантской волной накрыл позиции французских войск. В результате газовой атаки было отравлено 15 тыс. человек, из которых свыше 5 тыс. умерли на поле боя, а половина оставшихся в живых стали инвалидами. Эта атака, показавшая эффективность нового вида оружия, вошла в историю как «черный день у Ипра» и считается началом химической войны. 1) Напишите структурную (графическую) формулу вещества, примененного в этой газовой атаке. Если какие-либо атомы имеют неподеленные электронные пары, отметьте их. 30 2) Приведите название описанного вещества по систематической номенклатуре. Укажите другие его названия (тривиальные и пр.). 3) Напишите уравнения реакции, по которой к настоящему времени произведено основное количество этого вещества. Укажите условия проведения технологического процесса синтеза. 4) Составьте уравнения реакций взаимодействия этого вещества с водой, с водным раствором гидроксида натрия. 5) Предложите два доступных в полевых условиях способа дегазации этого вещества, приняв во внимание, что разведение открытого огня не может оказать защитного действия. 33. Элементы с порядковыми номерами 110-112 были открыты в 1994- 1996 годах на ускорителе тяжелых ионов в г. Дармштадте (Германия) в количестве одного, трех и одного атомов соответственно. Новые элементы образовались при бомбардировке ионами свинцовой и висмутовой мишеней в результате следующих реакций: 34. ??? + 208Pb → 269110Uun + n, 35. ??? + 209Bi → 272111Uuu + n, 36. ??? + 208Pb → 277112Uub + n. Составьте полные уравнения ядерных реакций, заменив знаки вопроса соответствующими числами или символами химических элементов. Объясните, что означают трехбуквенные символы новых элементов. 34. В органической химии многие реакции носят имена ученых, их открывших. Напишите уравнения следующих реакций с указанием условий их проведения (по одному конкретному примеру для каждой реакции): 1) восстановление по Зинину; 2) гидратация по Кучерову; 3) окисление по Прилежаеву; 4) нитрование по Коновалову; 5) окисление по Байеру-Вагнеру- Виллигеру; 6) галогенирование по Геллю-Фольгарду-Зелинскому. Примеры заданий теоретического тура для 11 класса Задача 1. При взаимодействии определенного количества некоторого металла с 20 %-ным раствором серной кислоты объемом 214, 91 мл (ρ= 1,14 г/мл) образовался 22,53 %-ный раствор сульфата. Металл и серная кислота взяты в стехиометрических соотношениях. Это же количество металла полностью взаимодействует с раствором гидроксида натрия массой 80 г. вычислите массовую долю образовавшегося при этом вещества. Определите, какой взят металл. Решение: Найдем массу раствора и содержание в нем серной кислоты: m(раствора) = V⋅ρ = 214,91 мл 1,14 г/мл = 245 г, m(H2SO4) = m(раствора) ⋅W (H2SO4) = 245 г ⋅0,2 = 49 г. Найдем химическое количество серной кислоты: N(H2SO4) = m/M = 49г /98 г/моль = 0,5 моль В этом количестве кислоты содержится водород массой 1 г (49⋅ 2: 98). Пусть масса металла х г. Тогда масса конечного раствора равна: 31

Хлорофилл – это термин, используемый для обозначения нескольких тесно связанных между собой зеленых пигментов, содержащихся в цианобактериях и хлоропластах водорослей и растений. Название происходит от греческих слов χλωρός, хлорос («зеленый») и φύλλον, phyllon («лист»). Хлорофилл является чрезвычайно важной биомолекулой, имеет решающее значение в процессе фотосинтеза, который позволяет растениям поглощать энергию света. Хлорофилл наиболее интенсивно поглощает свет в синей части спектра электромагнитного излучения, а также в красной части. С другой стороны, хлорофилл плохо поглощает зеленую и близкую к зеленой части спектра, которые он отражает, поэтому хлорофилл-содержащие ткани имеют зеленый цвет. Хлорофилл впервые был выделен и назван Жозефом Бьенеме Каванту и Пьером Жозефом Пеллетье в 1817 году.

Хлорофилл и фотосинтез

Хлорофилл имеет жизненно важное значение для фотосинтеза, который позволяет растениям поглощать энергию света. Молекулы хлорофилла специально расположены внутри и вокруг фотосистем, которые встроены в мембраны тилакоидов хлоропластов. В этих комплексах, хлорофилл выполняет две основные функции. Функция подавляющего большинства хлорофилла (до нескольких сотен молекул в фотосистеме) состоит в том, чтобы поглощать свет и передавать энергию света путем резонансного переноса энергии к конкретной паре хлорофилла в реакционном центре фотосистем. Две принятые в настоящее время единицы фотосистем – фотосистема II и фотосистема I, которые имеют свои собственные различные реакционные центры, названные Р680 и Р700, соответственно. Эти центры названы по длине волны (в нанометрах) их максимального поглощения в красном спектре. Идентичность, функциональность и спектральные свойства хлорофилла в каждой фотосистеме различны и определяются друг другом и белковой структурой, окружающей их. После извлечения из белка в растворителе (таком, как ацетон или метанол), пигменты хлорофилла могут быть разделены на хлорофилл а и б. Функция реакционного центра хлорофилла – поглощать энергию света и переносить её на другие части фотосистемы. Поглощенная энергия фотона передается электрону в процессе, называемом разделение зарядов. Удаление электрона из хлорофилла является реакцией окисления. Хлорофилл жертвует электроном с высокой энергией ряду молекулярных промежуточных продуктов, называемых цепью переноса электронов. Заряженный реакционный центр хлорофилла (P680 +) затем восстанавливается обратно в основное состояние, принимая электрон, отделенный от воды. Электрон, который восстанавливает Р680 +, в конечном счете, происходит от окисления воды в О2 и Н + через несколько промежуточных продуктов. В ходе этой реакции, фотосинтезирующие организмы, такие как растения, производят O2 газ, который является источником практически всего O2 в атмосфере Земли. Фотосистема I обычно работает последовательно с фотосистемой II; таким образом, P700 + фотосистемы I обычно восстанавливается, когда он принимает электрон, через множество промежуточных в тилакоидной мембране, при помощи электронов, которые приходят, в конечном счете, от фотосистемы II. Реакции переноса электронов в мембранах тилакоидов сложны, и источник электронов, используемый для восстановления P700 +, может меняться. Электронный поток, который создается пигментами реакционного центра хлорофилла, используется для накачки ионов Н + через мембрану тилакоида, настраивая хемиосмотической потенциал, используемый, главным образом, в производстве АТФ (накопленная химическая энергия), или в восстановлении NADP + в NADPH. НАДФ является универсальным агентом, используемым для восстановления СО2 в сахара, а также в других биосинтетических реакциях. РЦ хлорофилл-белковые комплексы способны непосредственно поглощать свет и разделять заряды без помощи других хлорофилловых пигментов, но вероятность этого при заданной интенсивности света мала. Таким образом, другие хлорофиллы фотосистемы и антенные пигментные белки кооперативно поглощают и переносят световую энергию к реакционному центру. Кроме хлорофилла а, существуют и другие пигменты, называемые вспомогательными пигментами, которые имеют место в этих антенных пигмент-белковых комплексах.

Химическая структура

Хлорофилл представляет собой хлориновый пигмент, который структурно подобен и производится в рамках того же пути метаболизма, что и другие порфириновые пигменты, такие как гем. В центре кольца хлорина находится ион магния. Это было обнаружено в 1906 году, и впервые магний был обнаружен в живой ткани. Хлориновое кольцо может иметь несколько различных боковых цепей, как правило, включающих длинную цепь фитола. Есть несколько различных форм, которые встречаются в природе, но наиболее широко у наземных растений распространена форма хлорофилл а. После первоначальной работы, проделанной немецким химиком Ричардом Вильштеттером с 1905 по 1915 годы, Ганс Фишер определил общую структуру хлорофилла а в 1940 г. К 1960 г., когда большая часть стереохимии хлорофилла а была известна, Вудворд опубликовал полный синтез молекулы. В 1967 году, последнее оставшееся стереохимическое объяснение было дано Яном Флемингом, а в 1990 году Вудворд и соавторы опубликовали обновленный синтез. Было объявлено, что хлорофилл е присутствует в цианобактериях и других оксигенных микроорганизмах, которые образуют строматолиты, в 2010 году. Молекулярная формула C55H70O6N4Mg и структура (2-формил)-хлорофил были выведены на основе ЯМР, оптического и масс-спектров.

Измерение содержания хлорофилла

Измерение поглощения света осложняется растворителем, используемым для извлечения хлорофилла из растительного материала, который влияет на полученные значения. В диэтиловом эфире, хлорофилл а имеет приблизительные максимумы абсорбции 430 нм и 662 нм, в то время как хлорофилл б имеет приблизительные максимумы 453 нм и 642 нм. Пики поглощения хлорофилла а составляют 665 нм и 465 нм. Хлорофилл флуоресцирует при 673 нм (максимум) и 726 нм. Пиковый молярный коэффициент поглощения хлорофилла а превышает 105 М-1 см-1, и является одним из самых высоких для малых молекул органических соединений. В 90% ацетона-воды, пиковые длины волн поглощения хлорофилла а составляют 430 нм и 664 нм; пики для хлорофилла б – 460 нм и 647 нм; пики для хлорофилла c1 – 442 нм и 630 нм; пики для хлорофилла с2 – 444 нм и 630 нм; пики для хлорофилла d – 401 нм, 455 нм и 696 нм. Измерив поглощение света в красном и дальнем красном спектрах, можно оценить концентрацию хлорофилла в листе. Коэффициент эмиссии флуоресценции может быть использован для измерения содержания хлорофилла. Возбуждая флуоресценцию хлорофилла «а» при более низкой длине волны, отношение флуоресцентной эмиссии хлорофиллов при 705 нм +/- 10 нм и 735 нм +/- 10 нм может обеспечить линейную зависимость содержания хлорофилла по сравнению с химическими испытаниями. Отношение F735 / F700 обеспечило значение корреляции r2 0,96 по сравнению с химическими испытаниями в диапазоне от 41 мг м-2 до 675 мг м-2. Гительзон также разработал формулу для прямого считывания содержания хлорофилла в мг м-2. Формула обеспечила надежный метод измерения содержания хлорофилла от 41 мг м-2 до 675 мг м-2 со значением корреляции r2 0,95.

Биосинтез

В растениях, хлорофилл может быть синтезирован из сукцинил-СоА и глицина, хотя непосредственным предшественником хлорофилла а и б является протохлорофиллид. У покрытосеменных растений, последний шаг, превращение протохлорофиллида в хлорофилл, зависит от освещенности, и такие растения являются бледными, если выращены в темноте. Несосудистые растения и зеленые водоросли имеют дополнительный фермент, независимый от света, и способны зеленеть в темноте. Хлорофилл связывается с белками и может передавать поглощенную энергию в нужном направлении. Протохлорофиллид встречается, главным образом, в свободной форме, и в условиях освещенности действует в качестве фотосенсибилизатора, образуя высокотоксичные свободные радикалы. Следовательно, растениям необходим эффективный механизм регулирования количества предшественника хлорофилла. У покрытосеменных растений, это делается на стадии аминолевулиновой кислоты (ALA), одного из промежуточных соединений в пути биосинтеза. Растения, которые питаются ALA, накапливают высокие и токсические уровни протохлорофиллида; так же делают мутанты с поврежденной системой регулирования.

Хлороз

Хлороз – это состояние, при котором листья производят недостаточное количество хлорофилла, что делает их желтыми. Хлороз может быть вызван питательным дефицитом железа, называемого хлорозом железа, либо нехваткой магния или азота. РН почвы иногда играет роль в хлорозе, вызванном питанием; многие растения приспособлены расти в почвах с определенными уровнями рН и их способности поглощать питательные вещества из почвы могут зависеть от этого. Хлороз также может быть вызван патогенными микроорганизмами, включая вирусы, бактерии и грибковые инфекции, или сосущих насекомых.

Дополнительное поглощение света антоцианов с хлорофиллом

Антоцианы – это другие растительные пигменты. Паттерн абсорбции, отвечающий за красный цвет антоцианов, может дополнять зеленый хлорофилл в фотосинтетически активных тканях, таких как молодые листья Quercus coccifera. Он может защищать листья от нападений со стороны травоядных, которые могут быть привлечены зеленым цветом.

Использование хлорофилла

Кулинарное использование

Хлорофилл зарегистрирован в качестве пищевой добавки (краситель), и его номер E140. Повара используют хлорофилл для окрашивания различных пищевых продуктов и напитков в зеленый цвет, такие как макароны и абсент. Хлорофилл не растворяется в воде, и его сначала смешивают с небольшим количеством растительного масла, чтобы получить желаемый раствор.

Польза для здоровья

Хлорофилл способствует укреплению органов кроветворения, обеспечивая профилактику анемии и обилие кислорода в организме. Его антиоксидантная активность оказывает благотворное влияние на различные медицинские состояния, такие как рак, бессонница, стоматологические заболевания, синусит, панкреатит и камни в почках. Хлорофилл способствует нормальной свертываемости крови, заживлению ран, гормональному балансу, дезодорации и детоксикации организма и способствует здоровью пищеварительной системы. Он благотворно влияет на окисление и воспалительные заболевания, такие как артрит и фибромиалгия. Он проявляет омолаживающие и противомикробные свойства и способствует укреплению иммунной системы организма.

Общее

Хлорофилл является пищевым продуктом, содержащим большое количество питательных веществ. Он является хорошим источником витаминов, таких как витамин А, витамин С, витамин Е, витамин К и бета-каротин. Он богат антиоксидантами, жизненно важными минералами, такими как магний, железо, калий, кальций и незаменимые жирные кислоты.

Эритроциты

Хлорофилл помогает в восстановлении и пополнении запасов красных кровяных клеток. Он работает на молекулярном и клеточном уровнях и обладает способностью к регенерации нашего тела. Он богат живыми ферментами, которые способствуют очищению крови и повышают способность крови переносить больше кислорода. Он является строителем крови и также эффективен против анемии, которая вызвана дефицитом красных кровяных клеток в организме.

Рак

Хлорофилл эффективен против рака, например, рака толстой кишки человека, и стимулирует индукцию апоптоза. Он обеспечивает защиту от широкого спектра канцерогенов, присутствующих в воздухе, приготовленном мясе и зерне. Исследования показали, что хлорофилл помогает в сдерживании желудочно-кишечной абсорбции вредных токсинов, также известных как афлатоксины, в организме. Хлорофилл и его производное хлорофиллин ингибируют метаболизм этих прокарциногенов, которые могут нанести ущерб ДНК, а также привести к раку печени и гепатиту. Дальнейшие исследования, проведенные в этой связи, демонстрируют химио-профилактическое действие хлорофилла, приписывая ему антимутагенные свойства. Другое исследование показало эффективность диетического хлорофилла в качестве фитохимического соединения, сокращающего онкогенез.

Антиоксидант

Хлорофилл обладает сильной антиоксидантной активностью, наряду со значительным количеством необходимых витаминов. Эти эффективные поглотители радикалов помогают нейтрализовать вредные молекулы и защитить от развития различных заболеваний и повреждений в результате окислительного стресса, вызванного свободными радикалами.

Артрит

Противовоспалительные свойства хлорофилла являются полезными для лечения артрита. Исследования показали, что хлорофилл и его производные мешают росту воспаления, вызванного воздействием бактерий. Этот защитный характер хлорофилла делает его мощным ингредиентом для приготовления фитосанитарных продуктов для лечения болезненных медицинских состояний, таких как фибромиалгия и артрит.

Детоксикация

Хлорофилл имеет очищающие свойства, которые помогают в детоксикации организма. Обилие кислорода и здорового потока крови из-за хлорофилла в организме способствует избавлению от вредных примесей и токсинов. Хлорофилл образует комплексы с мутагенами и обладает способностью связывать и вымывать токсичные химические вещества и тяжелые металлы, такие как ртуть, из организма. Он способствует детоксикации и возрождению печени. Он также эффективен в снижении вредного воздействия излучений и помогает устранить пестициды и отложения препаратов из организма.

Анти-старение

Хлорофилл помогает в борьбе с последствиями старения и поддерживает здоровье тканей, из-за богатства антиоксидантов и присутствия магния. Он стимулирует ферменты, действующие против старения, и способствует здоровью и молодости кожи. В дополнение к этому, витамин K, присутствующий в нем, очищает и омолаживает надпочечники и улучшает функции надпочечников в организме.

Пищеварительная система

Хлорофилл способствует здоровому пищеварению путем поддержания кишечной флоры и стимулирования перистальтики кишечника. Он действует как естественный препарат для желудочно-кишечного тракта и помогает в восстановлении поврежденных тканей кишечника. Диеты с дефицитом зеленых овощей и включающие, в основном, красное мясо, представляют повышенную опасность нарушений толстой кишки. Согласно исследованиям, хлорофилл облегчает очищение толстой кишки путем ингибирования цитотоксичности, вызванной диетическим гемом и предотвращает распространение колоноцитов. Он эффективен при запорах и уменьшает дискомфорт, вызванный газами.

Бессонница

Хлорофилл оказывает успокаивающее действие на нервы и помогает в снижении симптомов бессонницы, раздражительности и нервной общей усталости организма.

Антимикробные свойства

Хлорофилл обладает эффективными противомикробными свойствами. Недавние исследования показали, что лечебный эффект щелочного раствора на основе хлорофилла в борьбе с заболеванием, называемым Candida Albicans, инфекцией, вызванной разрастанием дрожжей кандида, уже присутствует в небольших количествах в организме человека.

Иммунитет

Хлорофилл способствует укреплению клеточных стенок и общей иммунной системы организма из-за его щелочного характера. Анаэробные бактерии, которые способствуют развитию заболеваний, не могут выжить в щелочной среде хлорофилла. Наряду с этим, хлорофилл является оксигенатором, который поощряет способность организма бороться с заболеваниями и повышает уровень энергии и ускоряет процесс заживления.

Дезодорирующие свойства

Хлорофилл проявляет дезодорирующие свойства. Он является эффективным средством для борьбы с неприятным запахом изо рта и используется в составе жидкостей для полоскания рта. Плохое здоровье пищеварительной является одной из основных причин неприятного запаха изо рта. Хлорофилл выполняет двойное действие, устраняя запах изо рта и горла, а также стимулируя здоровье пищеварительной системы путем очищения толстой кишки и потока крови. Дезодорирующий эффект хлорофилла также эффективно воздействует на раны, имеющие неприятный запах. Его вводят перорально пациентам, страдающим от колостомы и нарушений обмена веществ, таких как триметиламинурия, для снижения фекального и мочевого запаха.

Заживление ран

Исследования показывают, что местное применение растворов хлорофилла является эффективным при лечении ран и ожогов. Он помогает снижать местные воспаления, укрепляет ткани организма, помогает убивать микробов и повышает устойчивость клеток против инфекций. Он предотвращает рост бактерий, дезинфицируя окружающую среду, делая её враждебной для роста бактерий, и ускоряет заживление. Хлорофилл также весьма эффективен при лечении хронических варикозных язв.

Кислотно-щелочное соотношение

Потребление продуктов, богатых хлорофиллом, помогает сбалансировать кислотно-щелочной баланс в организме. Магний, присутствующий в нем, является мощной щелочью. Поддерживая соответствующую щелочность и уровни кислорода в организме, хлорофилл предотвращает развитие среды для роста патогенных микроорганизмов. Магний, присутствующий в хлорофилле, также играет важную роль в поддержании здоровья сердечно-сосудистой системы, функционировании почек, мышц, печени и головного мозга.

Сильные кости и мышцы

Хлорофилл способствует формированию и поддержанию крепких костей. Центральный атом молекулы хлорофилла, т.е. магний, играет важную роль в здоровье костей, наряду с другими необходимыми питательными веществами, такими как кальций и витамин D. Он также вносит вклад в тонус, сокращение и расслабление мышц.

Свертывание крови

Хлорофилл содержит витамин К, который имеет жизненно важное значение для нормального свертывания крови. Он используется в натуропатии для лечения носовых кровотечений и для женщин, страдающих от анемии и тяжелого менструального кровотечения.

Камни в почках

Хлорофилл способствует предотвращению образования камней в почках. Витамин К присутствует в виде эфирных соединений хлорофилла в моче и помогает в снижении роста кристаллов оксалата кальция.

Синусит

Хлорофилл эффективен в лечении различных респираторных инфекций и других заболеваний, таких как простуда, ринит и синусит.

Гормональный баланс

Хлорофилл полезен в поддержании полового гормонального баланса у мужчин и женщин. Витамин Е, присутствующий в хлорофилле, помогает стимулировать выработку тестостерона у мужчин и эстрогена у женщин.

Панкреатит

Хлорофилл вводят внутривенно при лечении хронического панкреатита. Согласно результатам исследования, проведенного в связи с этим, он помогает в снижении лихорадки и уменьшает боль в животе и дискомфорт, вызванный панкреатитом, не вызывая никаких побочных эффектов.

Гигиена полости рта

Хлорофилл помогает в лечении стоматологических проблем, таких как пиорея. Он используется для лечения симптомов инфекции полости рта и успокаивает воспаленные и кровоточащие десна.

Источники хлорофилла

Не очень трудно включить хлорофилл в ежедневный рацион, так как почти все зеленые растения богаты хлорофиллом а, и многие овощи, которые являются неотъемлемой частью нашей пищи, содержат хлорофилл а, а также хлорофилл б. Потребление овощей, таких как руккола, ростки пшеницы, лук-порей, зеленые бобы и темно-зеленые листовые овощи, такие как петрушка, капуста, кресс-салат, листовая свекла и шпинат, обеспечивают естественный хлорофилл для организма. Другие источники включают капусту, синие зеленые водоросли, такие как хлорелла и спирулина. Приготовление пищи разрушает содержащиеся в ней хлорофилл и магний, поэтому сырые или приготовленные на пару овощи являются более полезными.

Предостережения

Несмотря на клиническое использование в течение многих лет, токсические эффекты естественного хлорофилла в обычных дозах не были известны. Тем не менее, хлорофилл может вызвать некоторое изменение цвета языка, мочи или кала при пероральном введении. Наряду с этим, хлорофилл также может вызвать легкое жжение или зуд при местном применении. В редких случаях, передозировка хлорофиллом может привести к диарее, спазмам в животе и поносу. При таких симптомах, целесообразно обратиться за медицинской помощью. Беременные или кормящие женщины должны воздерживаться от использования коммерчески доступного хлорофилла или добавок хлорофилина из-за отсутствия доказательств безопасности.

Лекарственные взаимодействия

Пациентам, проходящим гваяковую пробу на скрытую кровь, следует избегать перорального использования хлорофиллина, так как это может привести к ложноположительному результату.

Резюме

Хлорофилл обеспечивает энергию солнца в концентрированной форме для нашего тела и является одним из самых полезных питательных веществ. Он повышает уровень энергии и усиливает общее состояние благополучия. Он также полезен при ожирении, сахарном диабете, гастрите, геморрое, астме и кожных заболеваниях, таких как экзема. Он помогает в лечении высыпаний и в борьбе с инфекциями кожи. Потребление хлорофилла профилактически также предотвращает неблагоприятные последствия хирургического вмешательства и его рекомендуется вводить до и после операции. Содержание в нем магния помогает в поддержании кровотока в организме и поддерживает нормальный уровень кровяного давления. Хлорофилл в целом улучшает клеточный рост и восстанавливает здоровье и бодрость в организме.

:Tags

Список использованной литературы:

Meskauskiene R; Nater M; Goslings D; Kessler F; op den Camp R; Apel K. (23 October 2001). «FLU: A negative regulator of chlorophyll biosynthesis in Arabidopsis thaliana». Proceedings of the National Academy of Sciences. 98 (22): 12826–12831. Bibcode:2001PNAS…9812826M. doi:10.1073/pnas.221252798. JSTOR 3056990. PMC 60138free to read. PMID 11606728

Adams, Jad (2004). Hideous absinthe: a history of the devil in a bottle. United Kingdom: I.B.Tauris, 2004. p. 22. ISBN 1860649203.

План лекции:

4. Биосинтез хлорофилла

6. Каротиноиды

7. Фикобилины

1. Пигменты фотосинтеза. Хлорофиллы

Для того чтобы свет мог оказывать влияние на растительный организм и, в част­ности, быть использованным в процессе фотосинтеза, необходимо его погло­щение фоторецепторами-пигментами. Пигменты - это окрашенные вещества. Пигменты поглощают свет определенной длины волны. Непоглощенные участки солнечного спектра отражаются, что и обусловливает окраску пигментов. Так, зеленый пигмент хлорофилл поглощает красные и синие лучи, тогда как зеле­ные лучи в основном отражаются. Видимая часть солнечного спектра включает длины волн от 400 до 700 нм. Вещества, поглощающие весь видимый участок спектра, кажутся черными.

Состав пигментов зависит от систематического положения группы организ­мов. У фотосинтезирующих бактерий и водорослей пигментный состав очень разнообразен (хлорофиллы, бактериохлорофиллы, бактериородопсин, каротиноиды, фикобилины). Их набор и соотношение специфичны для различных групп и во многом зависят от среды обитания организмов. Пигменты фотосин­теза у высших растений значительно менее разнообразны. Пигменты, сконцен­трированные в пластидах, можно разделить на три группы: хлорофиллы, каротиноиды, фикобилины.

Важнейшую роль в процессе фотосинтеза играют зеленые пигменты -хлорофил­лы. Французские ученые П.Ж. Пелетье и Ж. Кавенту (1818) выделили из листьев зеленое вещество и назвали eгo хлорофиллом (от греч. «хлорос» - зеленый и «филлон» - лист). В настоящее время известно около десяти хлорофиллов. Они отличаются по химическому строению, окраске, распространению среди живых организмов. У всех высших растений содержатся хлорофиллы а и b. Хлоро­филл с обнаружен в диатомовых водорослях, хлорофилл d - в красных водорослях. Кроме того, известны четыре бактериохлорофилла (a, b, с и d), содержащиеся в клетках фотосинтезирующих бактерий. В клетках зеленых бактерий имеются бактериохлорофиллы с и d, в клетках пурпурных бактерий - бактериохлоро­филлы а и b . Основными пигментами, без которых фотосинтез не идет, являют­ся хлорофиллы для зёленых растений и бактериохлорофиллы для бактерий.

Впервые точное представление о пигментах зелёного листа высших растений было получено благодаря работам крупнейшего русского ботаника М.С. Цвета (1872-1919). Он разработал хроматографический метод разделения веществ и выделил пигменты листа в чистом виде. Хроматографический метод разделения веществ основан на их различной способности к адсорбции. Метод этот получил широкоё применение. М.С. Цвет пропускал вытяжку из листа через стеклянную трубку заполненную порошком - мелом или сахарозой (хроматографическую колонку). Отдельные компоненты смеси пигментов различались по степени адсорбируемости и передвигались с разной скоростью, в результате чего они концентрировались в разных зонах колонки. Разделяя колонку на отдель­ные части (зоны) и используя соответствующую систему растворителей, можно было выделить каждый пигмент. Оказалось, что листья высших растений содержат хлорофилл а и хлорофилл b, а также каротиноиды (каротин, ксантофилл и др.). Хлорофиллы, так же как и каротиноиды, нерастворимы в воде, но хоро­шо растворимы в органических растворителях. Хлорофиллы а и b различаются по цвету: хлорофилл а имеет сине-зеленый оттенок, а хлорофилл b - желто-зеленый. Содержание хлорофилла а в листе примерно в три раза больше, чем хлорофилла b.

2. Химические свойства хлорофилла

По химическому строению хлорофиллы - сложные эфиры дикарбоновой органической кислоты - хлорофиллина и двух остатков спиртов фитола и метилового. Эмпирическая формула - C 55 H 72 O 5 N 4 Mg. Хлорофиллин представляет собой азотсодержащее металлорганическое соединение, относящееся к магнийпорфиринам.

В хлорофилле водород карбоксильных групп замещен остатками двух спир­тов - метилового СН 3 ОН и фитола С 20 Н 39 ОН поэтому хлорофилл является слож­ным эфиром. На рисунке 1, А дана структурная формула хлорофилла а .

Хлорофилл b отличается тем, что содержит на два атома водорода меньше и на один_ атом кислорода больше (вместо группы СН 3 группа СНО (рис. 1, Б) . В связи с этим молекулярная масса хлорофилла а - 893 и хлорофилла b - 907. В 1960 г. Р.Б. Вудворд осуществил полный синтез хлорофилла.

В центре молекулы хлорофилла расположен атом магния, который соединен с четырьмя атомами азота пиррольных группировок. В пиррольных группировках хлорофилла имеется система чередующихся двойных и простых связей. Это и есть хромофорная группа хлорофилла, обусловливающая поглощение опреде­ленных лучей солнечного спектра и его окраску. Диаметр порфиринового ядра составляет 10 нм, а длина фитольного остатка - 2 нм.

Рисунок 1 – Хлрофиллы а и b

Расстояние между атомами азота пиррольных группировок в ядре хлорофил­ла составляет 0,25 нм. Интересно, что диаметр атома магния равен 0,24нм. Та­ким образом, магний почти полностью заполняет пространство между атомами азота пиррольных группировок. Это придает ядру молекулы хлорофилла дополнительную прочность. Еще К.А. Тимирязев обратил внимание на близость химического строения двух важнейших пигментов: зеленого - хлорофилла листьев и красного - гемина крови. Действительно, если хлорофилл относится к магний порфиринам, то гемин - к железопорфиринам. Сходство это не случайно и служит еще одним доказательством единства всего органического мира.

Одной из специфических черт строения хлорофилла является наличие в его молекуле помимо четырех гетероциклов еще одной циклической группировки из пяти углеродных атомов - циклопентанона. В циклопентановом кольце со­держится кетогруппа, обладающая большой реакционной способностью. Есть данные, что в результате процесса энолизации по месту этой кетогруппы к мо­лекуле хлорофилла присоединяется вода.

Молекула хлорофилла полярна, ее порфириновое ядро обладает гидрофильными свойствами, а фитольный конец - гидрофобными. Это свойство молеку­лы хлорофилла обусловливает определенное расположение ее в мембранах хлоропластов. Порфириновая часть молекулы связана с белком, а фитольная цепь погружена в липидный слой.

Извлеченный из листа хлорофилл легко реагирует как с кислотами, так и со щелочами. При взаимодействии со щелочами происходит омыление хлорофилла в результате чего образуются, два спирта и щелочная соль кислоты хлорофиллина. В интактном живом листе от хлорофилла может отщепляться фитол под воздействием фермента хлорофиллазы. При взаимодействии со слабой кислотой извлеченный хлорофилл теряет зеленый цвет, образуется соединение феофитин, у которого атом магния в центре молекулы замещен на два атома водорода.

Хлорофилл в живой интактной клетке обладает способностью к обратимому фотоокислению и фотовосстановлению. Способность к окислительно-восстановительным реакциям связана с наличием в молекуле хлорофилла сопряженных двойных связей с подвижными
π-электронами и атомов азота с неподеленными электронами. Азот пиррольных ядер может окисляться (отдавать электрон) или восстанавливаться (присоединять электрон).

Исследования показали, что свойства хлорофилла, находящегося в листе и извлеченного из листа, различны, так как в листе он находится в комплексном соединении с белком. Это доказывается следующими данными:

Спектр поглощения хлорофилла, находящегося в листе, иной по сравнению с извлеченным хлорофиллом.

Хлорофилл невозможно извлечь абсолютным спиртом из сухих листьев. Экстракция протекает успешно, только если листья увлажнить или к спирту добавить воды, которая разрушает связь между хлорофиллом и белком.

Выделенный из листа хлорофилл легко подвергается разрушению под влия­нием самых разнообразных воздействий (повышенная кислотность, кислород и даже свет).

Между тем в листе хлорофилл достаточно устойчив ко всем перечисленным фак­торам. Следует отметить, что хотя крупный русский ученый В. Н. Любименко и предлагал этот комплекс назвать хлороглобином, по аналогии с гемоглобином, связь между хлорофиллом и белком иного характера, чем между гемином и белком. Для гемоглобина характерно постоянное соотношение - на 1 молекулу белка приходится 4 молекулы гемина. Между тем соотношение между хлорофил­лом и белком различно и претерпевает изменения в зависимости от типа растений, фазы их развития, условий среды (от 3 до 10 молекул хлорофилла на 1 молекулу белка). Связь между молекулами белка и хлорофиллом осуществляется путем нестойких комплексов, образующихся при взаимодействии кислотных групп белковых молекул и азота пиррольных колец. Чем выше содержание дикарбоновых аминокислот в белке, тем лучше идет их комплексирование с хлорофиллом (Т.Н.Годнее). Белки, связанные с хлорофиллом, характеризуются низкой изоэлектрической точкой (3,7-4,9). Молекулярная масса этих белков порядка 68 кДа. Вме­сте с тем хлорофилл может взаимодействовать и с липидами мембран.

Важным свойством молекул хлорофилла является их способность к взаимодействию друг с другом. Переход из мономерной в агрегированную форму воз­ник в результате взаимодействия двух и более молекул при их близком располо­жении друг к другу. В процессе образования хлорофилла его состояние в живой клетке закономерно меняется. При этом и происходит его агрегация (А.А. Красновский). В настоящее время показано, что хлорофилл в мембранах пластид находится в виде пигмент-липопротеидных комплексов с различной степенью агрегации.

3. Физические свойства хлорофилла

Как уже отмечалось, хлорофилл способен к избирательному поглощению света. Спектр поглощения данного соединения определяется его способностью погло­щать свет определенной длины волны (определенного цвета). Для того чтобы получить спектр поглощения К.А. Тимирязев пропускал луч света через рас­твор хлорофилла. Часть лучей поглощалась хлорофиллом, и при последующем пропускании через призму в спектре обнаруживались черные полосы. Было по­казано, что хлорофилл в той же концентрации, как в листе, имеет две основные линии поглощения в красных и сине-фиолетовых лучах. При этом хло­рофилл а в растворе имеет максимум поглощения 429 и 660 нм, тогда как хло­рофилл b - 453 и 642 нм. Однако необходимо учитывать, что в листе спектры поглощения хлорофилла меняются в зависимости от его состояния, степени аг­регации, адсорбции на определенных белках. В настоящее время показано, что есть формы хлорофилла, поглощающие свет с длиной волны 700, 710 и даже 720 нм. Эти формы хлорофилла, поглощающие свет с большой длиной волны, имеют особенно важное значение в процессе фотосинтеза.

Хлорофилл обладает способностью к флуоресценции. Флуоресценция пред­ставляет собой свечение тел, возбуждаемое освещением и продолжающееся очень короткий промежуток времени (10 8 -10 9 с). Свет, испускаемый при флюорес­ценции, имеет всегда большую длину волны по сравнению с поглощенным. Это Связано с тем, что часть поглощенной энергии выделяется в виде тепла. Хлоро­филл обладает красной флуоресценцией.

4. Биосинтез хлорофилла

Синтез хлорофилла происходит в две фазы: темновую - до протохлорофиллида и световую - образование из протохлорофиллида хлорофиллида (рис. 2). Син­тез начинается с превращения глутаминовой кислоты в δ-аминолевулиновую кислоту. 2 молекулы δ-аминолевулиновой кислоты конденсируются в порфобилиноген. Далее 4 молекулы порфобилиногена превращаются в протопорфирин IX. После этого в кольцо встраивается магний и получается протохлорофиллид. На свету и в присутствии НАДН образуется хлорофиллид: протохлорофиллид + 2Н + + hv →хлорофиллид

Рисунок 2 - Схема биосинтеза хлорофилла

Протоны присоединяются к четвертому пиррольному кольцу в молекуле пиг­мента. На последнем этапе происходит взаимодействие хлорофиллида со спир­том фитолом: хлорофиллид + фитол → хлорофилл.

Поскольку синтез хлорофилла - процесс многоэтапный, в нем участвуют раз­личные ферменты, составляющие, по-видимому, полиферментный комплекс. Интересно заметить, что образование многих из этих белков-ферментов ус­коряется на свету. Свет косвенно ускоряет образование предшественников хлорофилла. Одним из наиболее важных ферментов является фермент, катали­зирующий синтез δ-аминолевулиновой кислоты (аминолевулинатсинтаза). Важ­но отметить, что активность этого фермента также повышается на свету.

5. Условия образования хлорофилла

Исследования влияния света на накопление хлорофилла в этиолированных про­ростках позволили установить, что первым в процессе зеленения появляется хлорофилл а. Спектрографический анализ показывает, что процесс образования хлорофилла идет очень быстро. Так, уже через
1 мин после начала освещения выделенный из этиолированных проростков пигмент имеет спектр поглощения, совпадающий со спектром поглощения хлорофилла а. По мнению А.А. Шлыка, хлорофилл b образуется из хлорофилла а.

При исследовании влияния качества света на образование хлорофилла в боль­шинстве случаев проявилась положительная роль красного света. Большое значение имеет интенсивность освещения. Существование нижнего предела ос­вещенности для образования хлорофилла было показано в опытах В.Н. Любименко для проростков ячменя и овса. Оказалось, что освещение электрической лампой мощностью 10 Вт на расстоянии 400 см было пределом, ниже которого образование хлорофилла прекращалось. Существует и верхний предел освещен­ности, выше которого образование хлорофилла тормозится.

Проростки, выросшие в отсутствие света, называют этиолированными. Такие проростки характеризуются измененной формой (вытянутые стебли, неразвившиеся листья) и слабой желтой окраской (хлорофилла в них нет). Как было ска­зано выше, образование хлорофилла на заключительных этапах требует света.

Еще со времен Ю. Сакса (1864) известно, что в некоторых случаях хлоро­филл образуется и в отсутствие света. Способность образовывать хлорофилл в темноте характерна для организмов, стоящих на нижней ступени эволюцион­ного процесса. Так, при благоприятных условиях питания некоторые бактерии могут синтезировать в темноте бактериохлорофилл. Цианобактерии при доста­точном снабжении органическим веществом растут и образуют пигменты в тем­ноте. Способность к образованию хлорофилла в темноте обнаружена и у таких высокоорганизованных водорослей, как харовые. Лиственные и печеночные мхи сохраняют способность образовывать хлорофилл в темноте. Почти у всех видов хвойных при прорастании семян в темноте семядоли зеленеют. Более развита эта способность у теневыносливых пород хвойных деревьев. По мере роста про­ростков в темноте образовавшийся хлорофилл разрушается, и на 35-40-й день проростки в отсутствие света погибают. Интересно заметить, что проростки хвой­ных, выращенные из изолированных зародышей в темноте, хлорофилла не об­разуют. Однако достаточно присутствия небольшого кусочка нераздробленного эндосперма, чтобы проростки начинали зеленеть. Зеленение происходит даже в том случае, если зародыш соприкасается с эндоспермом другого вида хвойных деревьев. При этом наблюдается прямая корреляция между величиной окисли­тельно-восстановительного потенциала эндосперма и способностью пророст­ков зеленеть в темноте.

Можно сделать заключение, что в эволюционном плане хлорофилл перво­начально образовался как побочный продукт темнового обмена. Однако в даль­нейшем на свету растения, обладающие хлорофиллом, получили большее преимущество благодаря возможности использовать энергию солнечного све­та, и эта особенность была закреплена естественным отбором.

Образование хлорофилла зависит от температуры. Оптимальная температура для накопления хлорофилла 26-30°С. От температуры зависит лишь образова­ние предшественников хлорофилла (темновая фаза). При наличии уже образо­вавшихся предшественников хлорофилла процесс зеленения (световая фаза) идет с одинаковой скоростью независимо от температуры.

На скорость образования хлорофилла оказывает влияние содержание воды. Сильное обезвоживание проростков приводит к полному прекращению обра­зования хлорофилла. Особенно чувствительно к обезвоживанию образование протохлорофиллида.

Еще В.И. Палладии обратил внимание на необходимость углеводов для про­текания процесса зеленения. Именно с этим связано то, что зеленение этио­лированных проростков на свету зависит от их возраста. После 7-9-дневного возраста способность к образованию хлорофилла у таких проростков резко падает. При опрыскивании сахарозой проростки снова начинают интенсивно зеленеть.

Важнейшее значение для образования хлорофилла имеют условия минераль­ного питания. Прежде всего необходимо достаточное количество железа. При недостатке железа листья даже взрослых растений теряют окраску. Это явление названо хлорозом. Железо - важный катализатор образования хлорофилла. Оно необходимо на этапе синтеза δ-аминолевулиновой кислоты, а также синтеза про-топорфирина. Большое значение для обеспечения синтеза хлорофилла имеет нормальное снабжение растений азотом и магнием, так как оба эти элемента входят в состав хлорофилла. При недостатке меди хлорофилл легко разрушает­ся. Это, по-видимому, связано с тем, что медь способствует образованию ус­тойчивых комплексов между хлорофиллом и соответствующими белками.

Исследование процесса накопления хлорофилла у растений в течение веге­тационного периода показало, что максимальное содержание хлорофилла приурочено к началу цветения. Есть даже мнение, что повышение образования хлорофилла может быть использовано как индикатор, указывающий на готов­ность растений к цветению. Синтез хлорофилла зависит от деятельности корне­вой системы. Так, при прививках содержание хлорофилла в листьях привоя за­висит от свойств корневой системы подвоя. Возможно, что влияние корневой системы связано с тем, что там образуются гормоны (цитокинины). У двудом­ных растений большим содержанием хлорофилла характеризуются листья жен­ских особей.

6. Каротиноиды

Наряду с зелеными пигментами в хлоропластах и хроматофорах содержатся пиг­менты, относящиеся к группе каротиноидов. Каротиноиды - это желтые и оран­жевые пигменты алифатического строения, производные изопрена. Кароти­ноиды содержатся во всех высших растениях и у многих микроорганизмов. Это самые распространенные пигменты с разнообразными функциями. Кароти­ноиды, содержащие кислород, получили название ксантофиллы. Основными представителями каротиноидов у высших растений являются два пигмента -
β-каротин (оранжевый) С 40 Н 56 и ксантофилл (желтый) C 40 H 56 O 2 . Каротин состоит из 8 изопреновых остатков (рис. 3).

Рисунок 3 – Структура β-каротина

При разрыве углеродной цепочки пополам и образовании на конце спиртовой группы каротин превращается в 2 молекулы витамина А. Обращает на себя внимание сходство в структуре фитола - спирта, входящего в состав хлорофилла, и углеродной цепочки, соединяю­щей иононовые кольца каротина. Предполагается, что фитол возникает как про­дукт гидрирования этой части молекулы каротиноидов. Поглощение света каротиноидами, их окраска, а также способность к окислительно-восстановительным реакциям обусловлены наличием конъюгированных двойных связей, β-каротин имеет два максимума поглощения, соответствующие длинам волн 482 и 452 нм. В отличие от хлорофиллов каротиноиды не поглощают красные лучи, а также не обладают способностью к флуоресценции. Подобно хлорофиллу каротиноиды в хлоропластах и хроматофорах находятся в виде нерастворимых в воде комплек­сов с белками.

Уже тот факт, что каротиноиды всегда присутствуют в хлоропластах, позволяет считать, что они принимают участие впроцессе фотосинтеза. Однако не отмечено ни одного случая, когда в отсутст­вие хлорофилла этот процесс осуществляется. В настоящее время установлено, что каротиноиды, поглощая определенные участки солнечного спектра, пере­дают энергию этих лучей на молекулы хлорофилла. Тем самым они способствуют использованию лучей, которые хлорофиллом не поглощаются.

Физиологическая роль каротиноидов не ограничивается их участием в пе­редаче энергии на молекулы хлорофилла. По данным русского исследователя
Д.И. Сапожникова, на свету происходит взаимопревращение ксантофиллов (виолаксантин превращается в зеаксантин), что сопровождается выделением кислорода. Спектр действия этой реакции совпадает со спектром поглощения хлорофилла, что позволило высказать предположение об ее участии в процессе разложения воды и выделения кислорода при фотосинтезе.

Имеются данные, что каротиноиды выполняют защитную функцию, предо­храняя различные органические вещества, в первую очередь молекулы хлорофил­ла, от разрушения на свету в процессе фотоокисления. Опыты, проведенные на мутантах кукурузы и подсолнечника, показали, что они содержат протохлорофиллид (темновой предшественник хлорофилла), который на свету переходит в хлорофилл а, но разрушается. Последнее связано с отсутствием способности исследованных мутантов к образованию каротиноидов.

Ряд исследователей указывают, что каротиноиды играют определенную роль в половом процессе у растений. Известно, что в период цветения высших рас­тений содержание каротиноидов в листьях уменьшается. Одновременно оно заметно растет в пыльниках, а также в лепестках цветков. По мнению П. М. Жуков­ского, микроспорогенез тесно связан с метаболизмом каротиноидов. Незрелые пыльцевые зерна имеют белую окраску, а созревшая пыльца - желто-оранжевую. В половых клетках водорослей наблюдается дифференцированное распределение пигментов. Мужские гаметы имеют желтую окраску и содержат каротиноиды. Женские гаметы содержат хлорофилл. Высказывается мнение, что именно каро­тин обусловливает подвижность сперматозоидов. По данным В. Мевиуса, мате­ринские клетки водоросли хламидомонады образуют половые клетки (гаметы) первоначально без жгутиков, в этот период они еще не могут передвигаться в воде. Жгутики образуются только после освещения гамет длинноволновыми лучами, которые улавливаются особым каротиноидом - кроцетином.

Образование каротиноидов. Синтез каротиноидов не требует света. При фор­мировании листьев каротиноиды образуются и накапливаются в пластидах еще в тот период, когда зачаток листа защищен в почке от действия света. В начале освещения образование хлорофилла в этиолированных проростках сопровож­дается временным падением содержания каротиноидов. Однако затем содер­жание каротиноидов восстанавливается и даже повышается с увеличением интенсивности освещения. Установлено, что между содержанием белка и каро­тиноидов имеется прямая коррелятивная связь. Потеря белка и каротиноидов в срезанных листьях идет параллельно. Образование каротиноидов зависит от источника азотного питания. Более благоприятные результаты по накоплению каротиноидов получены при выращивании растений на нитратном фоне по срав­нению с аммиачным. Недостаток серы резко уменьшает содержание кароти­ноидов. Большое значение имеет соотношение - Ca/Mg в питательной среде. Относительное увеличение содержания кальция приводит к усиленному накоп­лению каротиноидов по сравнению с хлорофиллом. Противоположное влияние оказывает увеличение содержания магния.

7. Фикобилины

Фикобилины- красные и синие пигменты, содержащиеся у цианобактерий и некоторых водорослей. Исследования показали, что красные водоросли и циа­нобактерий наряду с хлорофиллом а содержат фикобилины. В основе химическо­го строения фикобилинов лежат четыре пиррольные группировки. В отличие от хлорофилла у фикобилинов пиррольные группы расположены в виде открытой цепочки (рис. 4) . Фикобилины представлены пигментами: фикоцианином, фикоэритрином и аллофикоцианином. Фикоэритрин - это окисленный фикоцианин. Красные водоросли в основном содержат фикоэритрин, а цианобактерий - фикоцианин. Фикобилины образуют прочные соединения с белками (фикобилин-протеиды). Связь между фикобилинами и белками разрушается только кислотой. Предполагается, что карбоксильные группы пигмента связываются с аминогруппами белка. Необходимо отметить, что в отличие от хлорофиллов и каротиноидов, расположенных в мембранах, фикобилины концентрируются в особых гранулах (фикобилисомах), тесно связанных с мембранами тилакоидов.

Рисунок 4 – Хромофорная группа фикоэритринов

Фикобилины поглощают лучи в зеленой и желтой частях солнечного спек­тра. Это та часть спектра, которая находится между двумя основными линиями поглощения хлорофилла. Фикоэритрин поглощает лучи с длиной волны 495- 565 нм, а фикоцианин - 550- 615 нм. Сравнение спектров поглощения фи-кобилинов со спектральным составом света, в котором проходит фотосинтез у цианобактерий и красных водорослей, показывает, что они очень близки. Это позволяет считать, что фикобилины поглощают энергию света и, подобно каротиноидам, передают ее на молекулу хлорофилла, после чего она используется процессе фотосинтеза.

Наличие фикобилинов у водорослей является примером приспособления ор­ганизмов в процессе эволюции к использованию участков солнечного спектра, которые проникают сквозь толщу морской воды (хроматическая адаптация). Как известно, красные лучи, соответствующие основной линии поглощения хлоро­филла, поглощаются, проходя через толщу воды. Наиболее глубоко проникают зеленые лучи, которые поглощаются не хлорофиллом, а фикобилинами.

ФОТОСИНТЕЗ (12 часов)