Химические и физические свойства хлорофилла.
Хлорофилл растворим в органических растворителях и совершенно не растворим в воде. Этим свойством он относится к липидам, жироподобным вещества. Он лучше растворим в бензине, чем в спирте, а поэтому из спиртовой вытяжки легко переходит в бензин.
При взаимодействии со щелочами, хлорофилл как сложный эфир подвергается реакции омыления, с образованием соответствующей соли хлорофиллина, и двух остатков спиртов фитола и метанола. Под действием слабых кислот происходит вытеснение протоном Н+ Мg с образованием феофитина, бурой окраски. Зелёная окраска восстанавливается замещением Н на металл (Zn или Cu). Это свидетельствует, что зеленая окраска хлорофилла определяется наличием металлорганической связи с Mg. В твердом виде хлорофилл а представляет собой аморфное вещество сине-черного цвета с температурой плавления – 117-1200 С. К физические свойства определяют способность хлорофилла избирательно поглощать лучи солнечного спектра. Резко выраженный максимум поглощения хлорофиллов в спиртовой вытяжке лежит в видимой части спектра в красных лучах (хл а –650 -670 нм, хл b -640-650 нм) и сине-фиолетовых лучах (хл а – 410-440, хл b –440-450 нм) и слабое поглощение в оранжевых и желтые лучах.(рис)
Рис. Спектры поглощения пигментов хлоропластов
Поглощение хлорофилла в красных и сине-фиолетовых лучах не случайно, это является приспособлением для максимального и эффективного использования световой энергии, способной осуществлять фотохимические реакции. По закону квантовой физики фотосинтез зависит не от энергии кванта, а от числа квантов, способных осуществлять фотохимическую реакцию, при котором 1 квант осуществляет только одну реакцию. В красном участке длинноволнового видимого участка спектра содержится наибольшее число квантов, энергия которых соответствует энергии возбуждения хлорофилла и фотохимической реакции. В сине-фиолетовой части спектра, коротковолновых лучей видимого спектра, напротив, содержится наименьшее число квантов, но их энергия наибольшая, излишки которой будут выделятся в виде тепла без перегрева растения. Растворы хлорофиллов в полярных растворителях имеют яркую флюоресценцию и способны к фосфоресценции. Хлорофилл в отраженном свете флюоресцирует красным светом, даже если поглощает синие лучи. Нативный хлорофилл связанный в тилакоидах с белкам не флюоресцирует. Флюоресцирует только свободный хлорофилл. У связанной интактной формы хлорофилла поглощенный квант света при флюоресцесии акцептируется мелками мембран и передается на фотохимические реакции и энергия возбужденно электрона не выделяется, а аккумулируется в химических связях органических веществ.
|
|
|
.
|
|
|
S2
S1
Фотохимические
реакции
S0
Уровни возбуждения хлорофилла и его энергетического состояния
Участие хлорофилла в фотосинтезе.. Способность хлорофилла к флюоресценсии определяет его способность участвовать в фотосинтез е. Участие хлорофилла в фотосинтезе связано с его возбуждением. Хлорофилл имеет три уровня возбуждения электронов, связанных с уровнем энергии поглощаемых лучей (рис).Структура молекулы хлорофилла в процессе эволюции прекрасно приспособилась к своим функциям сенсибилизатора фотохимических реакций. В её состав входит 18 делокализованых p ē, что дает молекуле хлорофилла легко возбуждаться при поглощении кванта света. Поэтому при поглощении разных участков света, несущих разное количество энергии уровни возбуждения хлорофилла различны, как и их участие в фотосинтезе. Поглощение хлорофиллом кванта красного света приводит к переходу с основного синглетного энергетического состояния (S0) в синглентное возбужденное состояние (S*1); Поглощение синего света с большей энергией (Е) приводит к переходу ē на более высокую орбиту (S*2). Но с этих уровней хлорофилл не осуществляет фотохимических реакций из очень малой продолжительности жизни возбужденных электронов (S*2 10-12 с и S*1 10-8 c). Возбужденная молекула хлорофилла возвращается в основное состояние разными путями. При этом происходит выделение теплоты, флюоресценция, фосфоресценция. Но в тилакоидах хлоропластов Е возбужденного состояния хлорофилла может быть использована на фотохимические реакции. при условии перехода e- на устойчивое долгоживущее (10-4 с) триплетное (бирадикальное) состояние, обусловленное изменение спина вращения электрона. Такой долгоживущий электрон успевает передает энергию на фотохимические реакции.(рис.)
|
|
|
Т аким образом, молекула хлорофилла способна выполнять 3 важных функции:
Избирательно поглощать Е света 2) запасать её в виде Е электронного возбуждения. 3) фотохимически преобразовывать Е возбужденного состояния электронов в химическую Е фотовосстановленных и фотоокисленных состояний.
Состояние хлорофилла в хлоропластах. Хлорофилл амфотерное соединение, обладает гидрофильными и гидрофобными свойствами, которые обеспечивают ему упорядоченное состояние в тилакоидах хлоропластов. Магнийпорфириновое кольцо – создает гидрофильную его головку, которая располагается над мембранами. Фитол (гидрофобная составная часть) находится под углом к порфириновому кольцу, это и образует гидрофобный полюс, ориентирующий его к внутренней части липидов тилакоида. Наиболее прочно хлорофилл связан с белками. Это доказывается рядом фактов:1) различием спектров поглощения хлорофилла в листе и в вытяжке; 2) невозможностью извлечения хлорофилла бензином, и легкое извлечение спиртом и ацетоном, денатурирующих белки; 3) быстрым разрушением хлорофилла и выцветанием хлорофилла в спиртовой вытяжке., тогда как в высушенном листе, от долго сохраняет зеленую окраску. На одну молекулу белка приходится от 3 до 10 молекул хлорофилла. Работами А.Н.Теренина и А.А.Красновского показано, что хлорофилл в хлоропластах находится в разных агрегатных состояниях. В результате изучения степени выцветания хлорофилла установлено две формы хлорофилла: 1) агрегированная – устойчивая против выцветания. Это происходит при взаимодействии молекул хлорофилла друг с другом при близком расположении на поверхности мембран (не далее 2 расстояний их диаметра); 2) мономерная (свободная) – с яркой флюореценсией, химически неустойчивая, быстро выцветает. От состояния хлорофилла в хлоропластах зависит его участие в процессе фотосинтеза. К фотосинтезу способна только агрегированная, связанная форма хлорофилла. Она способна улавливать световую энергию и направлять её в ЭТЦ, где происходит её превращение в химическую. Свободная (мономерная) форма хлорофилла не участвует в фотосинтезе, является резервной, синтезируемая на смену разрушающегося хлорофилла. Воспринимать энергию света он может, но она излучается в виде флюоресценсии, и в ЭТЦ не поступает.
|
|
|
Каротиноиды
Каотиноиды – обязательные омпонеты пигментных систем всех фотоситезируюзих организмов. Каротиноиды – жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого, красного цвета, которые присутствуют в хлоропластах всех растений. Они так же входят в состав хромопластов у незеленых частях растений. Синтезируются бактериями и грибами. К каротиноидам относится три группы веществ: 1) оранжевые или красные каротиноиды (С40Н56); 2) желтые ксантофиллы (С40Н56О2); 3) каротиноидные кислоты – продукты окисления каротиноидов. В настоящее время их известно ололо 200, но из них не все участвуют в фотосинтезе.
Основные каротиноиды высших растений и водорослей – b-каротины, лютеин, виолоксантин, неоксантин. Спектры поглощениякаротиноидов характеризуются двумя полосами у фиолетовом и синем участках от 400-500 нм. Каротиноиды как и хлорофиллы, ковалентно связаны с белками и липидами мембран. В мембранах они располагаются либо поперек, вынося гидрофильные петли наружу мембран на обе стороны, или, вынося гидрофильные петли на одну сторону. Роль каротиноидов в процессе фотосинтеза вспомогательная. Это дополнительные пигменты, улавливающих энергию синих и фиолетовых лучах и передающих на основной пигмент хл а. Каротиноиды – обязательные компоненты пигментных систем всех фотосинтезирующих организмов. Главные их функции это: 1). Участие в поглощении света, в качестве дополнительных пигментов 2). Защита молекул хлорофилла от необратимого окисления. 3).Возможно принимают участие в окислительном обмене при фотосинтезе. Каротиноиды обусловливают цвет лепестков и плодов некоторых растений (но в большинстве случаев это зависит от вакуольних антоцианов).
Фикобилины
Наиболее распространенные представители фикобилинов – фикоэритрин (преимущественно в красных водорослях)и фикоцианны (преимущественно у сине-зеленых), фукоксантин (у бурых водорослей).Относятся к желтым пигментам – билинов. Это тетрапиролы с открытым звеном. Общий спектр поглощения 490 -650 нм. Растворимы в воде. Максимум поглощения у фикобилинов находится меду двумя максимумами поглощения хлорофиллов: в оранжевой, желтой и зеленой части спектра.. Это связано с оптическими свойствами воды. Вода в первую очередь поглощает длинноволновые красные лучи, которые уже на глубине 100 м полностью отсутствуют, остаются только зелеленые и синие. В результате в верхних слоях живут преимуществонно зеленые водоросли, глубже - сине-зеленые,а еще глубже – бурые и затем красные. Это явление у морских водорослей Энгельман назвал хроматической адаптацией.У водорослей фикобилины— это дополнительные пигменты, которые вместо хлорофилла выполняют функции светособирающего комплекса. Около 90% Е света ими передается на хлорофилл с (бурые водоросли) и d (красные водоросли), которые и осуществляют фотохимические реакции.
Дата добавления: 2015-12-20; просмотров: 119; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!