Χαρακτηριστικά και κύριοι τύποι φωτοσυνθετικών χρωστικών

Το φωτοσυνθετικές χρωστικές ουσίες είναι χημικές ενώσεις που απορροφούν και αντανακλούν συγκεκριμένα μήκη κύματος ορατού φωτός, γεγονός που τους κάνει να φαίνονται "πολύχρωμα". Διαφορετικοί τύποι φυτών, φύκη και κυανοβακτήρια έχουν φωτοσυνθετικές χρωστικές, οι οποίες απορροφούν σε διαφορετικά μήκη κύματος και παράγουν διαφορετικά χρώματα, κυρίως πράσινο, κίτρινο και κόκκινο.

Αυτές οι χρωστικές είναι απαραίτητες για ορισμένους αυτοτροφικούς οργανισμούς, όπως τα φυτά, επειδή βοηθούν τους να επωφεληθούν από ένα ευρύ φάσμα μήκους κύματος για να παράγουν τα τρόφιμά τους στη φωτοσύνθεση. Καθώς κάθε χρωστική ουσία αντιδρά μόνο με κάποια μήκη κύματος, υπάρχουν διαφορετικές χρωστικές ουσίες που επιτρέπουν τη σύλληψη περισσότερης ποσότητας φωτός (φωτόνια).

Ευρετήριο

• 1 Χαρακτηριστικά
• 2 Τύποι φωτοσυνθετικών χρωστικών ουσιών
  • 2.1 Χλωροφύλλη
  • 2.2 Καροτενοειδή
  • 2.3 Φυκοβαλλίνες 
• 3 Αναφορές

Χαρακτηριστικά

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, οι φωτοσυνθετικές χρωστικές είναι χημικά στοιχεία που είναι υπεύθυνα για την απορρόφηση του απαραίτητου φωτός έτσι ώστε να μπορεί να δημιουργηθεί η διαδικασία φωτοσύνθεσης. Μέσω της φωτοσύνθεσης, η ενέργεια του Ήλιου μετατρέπεται σε χημική ενέργεια και σάκχαρα.

Το ηλιακό φως αποτελείται από διάφορα μήκη κύματος, τα οποία έχουν διαφορετικά χρώματα και επίπεδα ενέργειας. Δεν χρησιμοποιούνται όλα τα μήκη κύματος εξίσου στη φωτοσύνθεση, γι 'αυτό και υπάρχουν διαφορετικοί τύποι φωτοσυνθετικών χρωστικών ουσιών.

Οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί περιέχουν χρωστικές ουσίες που απορροφούν μόνο τα μήκη κύματος του ορατού φωτός και αντανακλούν τους άλλους. Το σύνολο των μηκών κύματος που απορροφώνται από μια χρωστική ουσία είναι το φάσμα απορρόφησης.

Μια χρωστική ουσία απορροφά συγκεκριμένα μήκη κύματος και εκείνα που δεν απορροφούν τα αντανακλούν. το χρώμα είναι απλά το φως που αντανακλάται από τις χρωστικές ουσίες. Για παράδειγμα, τα φυτά φαίνονται πράσινα επειδή περιέχουν πολλά μόρια α και β χλωροφύλλης, τα οποία αντανακλούν το πράσινο φως.

Τύποι φωτοσυνθετικών χρωστικών

Οι φωτοσυνθετικές χρωστικές μπορούν να χωριστούν σε τρεις τύπους: χλωροφύλλη, καροτενοειδή και φυκοβιλίνες.

Χλωροφύλλη

Οι χλωροφύλλες είναι πράσινες φωτοσυνθετικές χρωστικές ουσίες που περιέχουν δακτύλιο πορφυρίνης στη δομή τους. Είναι σταθερά, δακτυλιοειδή μόρια γύρω από τα οποία τα ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα να μεταναστεύσουν.

Επειδή τα ηλεκτρόνια κινούνται ελεύθερα, ο δακτύλιος έχει τη δυνατότητα να κερδίσει ή να χάσει τα ηλεκτρόνια εύκολα και, ως εκ τούτου, έχει τη δυνατότητα να παράσχει ενεργοποιημένα ηλεκτρόνια σε άλλα μόρια. Αυτή είναι η θεμελιώδης διαδικασία με την οποία η χλωροφύλλη "συλλαμβάνει" την ενέργεια του ηλιακού φωτός.

Τύποι χλωροφύλλη

Υπάρχουν διάφοροι τύποι χλωροφύλλης: a, b, c, d και e. Από αυτά, μόνο δύο βρίσκονται στους χλωροπλάστες των ανώτερων φυτών: χλωροφύλλη α και χλωροφύλλη b. Η πιο σημαντική είναι η χλωροφύλλη "a", όπως είναι παρούσα στα φυτά, τα φύκια και τα φωτοσυνθετικά κυανοβακτήρια.

Η χλωροφύλλη "a" καθιστά δυνατή τη φωτοσύνθεση επειδή μεταφέρει τα ενεργοποιημένα ηλεκτρόνια της σε άλλα μόρια που θα δημιουργήσουν σάκχαρα.

Ένας δεύτερος τύπος χλωροφύλλης είναι η χλωροφύλλη "b", η οποία απαντάται μόνο στα λεγόμενα πράσινα φυτά και φυτά. Από την άλλη πλευρά, η χλωροφύλλη "c" βρίσκεται μόνο στα φωτοσυνθετικά μέλη της ομάδας χρωμικής, όπως και στις διφωσφονικές.

Οι διαφορές μεταξύ των χλωροφυλλών αυτών των κύριων ομάδων ήταν ένα από τα πρώτα σημάδια ότι δεν ήταν τόσο στενά συνδεδεμένα όπως είχαν μελετηθεί προηγουμένως.

Η ποσότητα χλωροφύλλη "b" είναι περίπου το ένα τέταρτο της συνολικής περιεκτικότητας σε χλωροφύλλη. Από την πλευρά της, η χλωροφύλλη "a" βρίσκεται σε όλα τα φωτοσυνθετικά φυτά, γι 'αυτό ονομάζεται καθολική φωτοσυνθετική χρωστική ουσία. Το ονομάζουν επίσης πρωτογενή φωτοσυνθετική χρωστική ουσία επειδή εκτελεί την κύρια αντίδραση της φωτοσύνθεσης.

Από όλες τις χρωστικές ουσίες που συμμετέχουν στη φωτοσύνθεση, η χλωροφύλλη διαδραματίζει θεμελιώδη ρόλο. Για το λόγο αυτό, οι υπόλοιπες φωτοσυνθετικές χρωστικές είναι γνωστές ως βοηθητικές χρωστικές ουσίες.

Η χρήση των βοηθητικών χρωστικών ουσιών επιτρέπει την απορρόφηση μιας ευρύτερης περιοχής μήκους κύματος και συνεπώς τη δέσμευση περισσότερης ενέργειας από το φως του ήλιου.

Καροτενοειδή

Τα καροτενοειδή είναι μια άλλη σημαντική ομάδα φωτοσυνθετικών χρωστικών ουσιών. Αυτά απορροφούν το βιολετί και το μπλε-πράσινο φως.

Τα καροτενοειδή παρέχουν τα έντονα χρώματα που παρουσιάζουν τα φρούτα. για παράδειγμα, το κόκκινο ντομάτα οφείλεται στην παρουσία λυκοπενίου, το κίτρινο των σπόρων καλαμποκιού προκαλείται από τη ζεαξανθίνη και το πορτοκάλι της φλούδας πορτοκαλιού οφείλεται στο β-καροτένιο.

Όλα αυτά τα καροτενοειδή είναι σημαντικά για την προσέλκυση ζώων και την προώθηση της διασποράς των σπόρων του φυτού.

Όπως όλες οι φωτοσυνθετικές χρωστικές ουσίες, τα καροτενοειδή βοηθούν στη σύλληψη του φωτός αλλά παίζουν επίσης έναν άλλο σημαντικό ρόλο: αφαιρέστε την υπερβολική ενέργεια από τον ήλιο.

Έτσι, εάν ένα φύλλο δέχεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας και αυτή η ενέργεια δεν χρησιμοποιείται, αυτή η περίσσεια μπορεί να βλάψει τα φωτοσυνθετικά σύνθετα μόρια. Τα καροτενοειδή συμμετέχουν στην απορρόφηση της πλεονάζουσας ενέργειας και βοηθούν στη διάχυση της με τη μορφή θερμότητας.

Τα καροτενοειδή είναι συνήθως κόκκινα, πορτοκαλί ή κίτρινα χρώματα και περιλαμβάνουν τη γνωστή ένωση καροτενίου, η οποία δίνει χρώμα στα καρότα. Αυτές οι ενώσεις σχηματίζονται από δύο μικρούς δακτυλίους με έξι άνθρακες που συνδέονται με μία "αλυσίδα" ατόμων άνθρακα.

Ως αποτέλεσμα της μοριακής δομής τους, δεν διαλύονται στο νερό αλλά συνδέονται με τις μεμβράνες μέσα στο κύτταρο.

Τα καροτενοειδή δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν άμεσα την ενέργεια του φωτός για τη φωτοσύνθεση, αλλά πρέπει να μεταφέρουν την ενέργεια που απορροφάται σε χλωροφύλλη. Για το λόγο αυτό, θεωρούνται βοηθητικές χρωστικές ουσίες. Ένα άλλο παράδειγμα ενός εξαιρετικά ορατού βοηθητικού χρωστικού είναι η φουκοξανθίνη, η οποία δίνει καφέ χρώμα στα φύκια και τα διατόμια.

Τα καροτενοειδή μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο ομάδες: καροτενοειδή και ξανθοφύλλη.

Καροτένια

Οι καροτένιες είναι οργανικές ενώσεις που κατανέμονται ευρέως ως χρωστικές ουσίες σε φυτά και ζώα. Ο γενικός τύπος του είναι C40H56 και δεν περιέχει οξυγόνο. Αυτές οι χρωστικές είναι ακόρεστοι υδρογονάνθρακες. δηλαδή, έχουν πολλούς διπλούς δεσμούς και ανήκουν στην σειρά ισοπρενοειδών.

Στα φυτά, οι καροτίνες προσδίδουν κίτρινα, πορτοκαλί ή κόκκινα χρώματα σε λουλούδια (καλέντουλα), φρούτα (κολοκύθα) και ρίζες (καρότο). Στα ζώα είναι ορατά στα λίπη (βούτυρο), τους κρόκους αυγών, τα φτερά (καναρίνι) και τα κελύφη (αστακός).

Η πιο συνηθισμένη καροτίνη είναι το β-καροτένιο, το οποίο είναι ο πρόδρομος της βιταμίνης Α και θεωρείται πολύ σημαντικό για τα ζώα.

Ξανθοφύλλη

Οι ξανθοφύλλες είναι κίτρινες χρωστικές ουσίες των οποίων η μοριακή δομή είναι παρόμοια με εκείνη των καροτενοειδών, αλλά με τη διαφορά ότι περιέχουν άτομα οξυγόνου. Μερικά παραδείγματα είναι: C40H56O (κρυπτοξανθίνη), C40H56O2 (λουτεΐνη, ζεαξανθίνη) και C40H56O6, η οποία είναι η χαρακτηριστική φουκοξανθίνη καφέ φύκια που αναφέρθηκε παραπάνω.

Γενικά, τα καροτενοειδή έχουν πιο πορτοκαλί χρώμα από τα ξανθοφύλλα. Τόσο καροτενοειδή όσο και ξανθοφύλλα είναι διαλυτά σε οργανικούς διαλύτες όπως χλωροφόρμιο, αιθυλαιθέρα, μεταξύ άλλων. Οι καροτίνες είναι πιο διαλυτές σε δισουλφίδιο του άνθρακα σε σύγκριση με τις ξανθοφύλλες.

Λειτουργίες των καροτενοειδών

- Τα καροτενοειδή λειτουργούν ως βοηθητικές χρωστικές ουσίες. Απορροφήστε ενέργεια ακτινοβολίας στη μεσαία περιοχή του ορατού φάσματος και μεταφέρετέ την σε χλωροφύλλη.

- Προστατεύουν τα συστατικά χλωροπλάστη από το οξυγόνο που παράγεται και απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της φωτόλυσης του νερού. Τα καροτενοειδή συλλέγουν αυτό το οξυγόνο μέσω των διπλών δεσμών τους και αλλάζουν τη μοριακή δομή τους σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας (αβλαβής).

- Η διεγερμένη κατάσταση της χλωροφύλλης αντιδρά με το μοριακό οξυγόνο για να σχηματίσει μια ιδιαίτερα καταστρεπτική κατάσταση οξυγόνου, που ονομάζεται οξυγόνο απλής ψύξης. Τα καροτενοειδή προλαμβάνουν αυτό με την απενεργοποίηση της κατάστασης διέγερσης της χλωροφύλλης.

- Τρεις ξανθοφύλλες (βιολοξανθίνη, ανθεροξανθίνη και ζεαξανθίνη) συμμετέχουν στη διάχυση της περίσσειας ενέργειας μετατρέποντάς την σε θερμότητα.

- Λόγω του χρώματος τους, τα καροτενοειδή καθιστούν τα άνθη και τα φρούτα ορατά για επικονίαση και διασπορά από τα ζώα.

Phycobilins 

Οι φυκοβαλίνες είναι χρωστικές που είναι διαλυτές στο νερό και επομένως βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα ή στο στρώμα του χλωροπλάστη. Εμφανίζονται μόνο σε κυανοβακτήρια και κόκκινα άλγη (Ροδόφυτα).

Οι φυκοβαλίνες δεν είναι μόνο σημαντικές για τους οργανισμούς που τις χρησιμοποιούν για να απορροφούν την ενέργεια του φωτός, αλλά χρησιμοποιούνται και ως ερευνητικά εργαλεία.

Όταν εκτίθενται σε έντονες φωτεινές ενώσεις όπως η πυοκυανίνη και η φυκοερυθρίνη, απορροφούν την ενέργεια του φωτός και απελευθερώνουν το φθορισμό που εκπέμπει σε μια πολύ στενή περιοχή μήκους κύματος.

Το φως που παράγεται από αυτόν τον φθορισμό είναι τόσο διακριτικό και αξιόπιστο, ώστε οι φυκοβιλίνες να μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως χημικές "ετικέτες". Αυτές οι τεχνικές χρησιμοποιούνται ευρέως στην έρευνα για τον καρκίνο για να "επισημάνουν" τα καρκινικά κύτταρα.

Αναφορές

1. Bianchi, Τ. & Canuel, Ε. (2011). Χημικοί βιοδείκτες σε υδάτινα οικοσυστήματα (1η έκδοση). Princeton University Press.
2. Evert, R. & Eichhorn, S. (2013). Raven Βιολογία των Φυτών (8η έκδοση). W. Η. Freeman and Company Publishers.
3. Goldberg, D. (2010). AP Biology του Barron (3η έκδοση). Εκπαιδευτική Σειρά Barron, Inc.
4. Nobel, D. (2009). Φυσικοχημική και Περιβαλλοντική φυτολογική φυσιολογία (4η έκδοση). Elsevier Inc.
5. Φωτοσυνθετικές χρωστικές. Ανακτήθηκε από: ucmp.berkeley.edu
6. Ο Renger, G. (2008). Πρωτογενείς διεργασίες φωτοσύνθεσης: Αρχές και συσκευές (IL ed.) RSC Publishing.
7. Solomon, Ε., Berg, L. & Martin, D. (2004). Βιολογία (7η έκδοση) Εκμάθηση των πόρων.