Какую часть спектра поглощают растения

Добавил пользователь Alex
Обновлено: 18.09.2024

Оглянитесь вокруг! Пожалуй, в каждом доме есть хотя бы одно зеленое растение, а за окном несколько деревьев или кустарников. Благодаря сложному химическом процессу происходящего в них фотосинтеза стало возможно зарождение жизни на Земле и существование человека. Разберем историю его открытия, суть процесса и реакции, которые протекают в разных фазах.

История открытия фотосинтеза

В настоящее время школьники впервые знакомятся со сложными процессами фотосинтеза уже в 6 классе.

Первым и очевидным ответом было предположение, что из земли. Однако, в далеком 1600 году фламандский ученый Ян Батист ван Гельмонт решил проверить влияние почвы на рост растений и провел уникальный в своей простоте опыт. Естествоиспытатель взял веточку ивы и бочку с почвой. Предварительно их взвесил. А затем посадил отросток ивы в бочку с почвой.

Долгие пять лет ван Гельмонт поливал молодое деревце лишь дождевой водой. А через пять лет выкопал деревце, и вновь взвесил отдельно деревце и отдельно почву. Каково же было его удивление, когда весы показали, что деревце увеличило свой вес практически в тридцать раз, и совсем не походило на тот скромный прутик, что был посажен в кадку. А вес почвы уменьшился всего на 56 граммов.

Ученый сделал вывод. что почва практически не дает строительного материала растениям, а все необходимые вещества растение получает из воды.

Одним из тех, кто попытался возразить этой теории был М.В. Ломоносов. И строил он свои возражения на том, что на пустых, скудных северных землях с редкими дождями растут высокие, мощные деревья. Михаил Васильевич предположил, что часть питательных веществ растения впитывают через листья, но доказать свою теорию экспериментально он не смог.

И как часто бывает в науке, помог его величество случай.

Однажды нерадивая мышь, решившая поживиться церковными запасами, случайно перевернула банку и оказалась в ловушке. И через некоторое время погибла. К нашей удаче, эту мышь в банке обнаружил Джозеф Пристли, который был не просто священником, а по совместительству ученым-химиком, и очень интересовался химией газов и способами очистки испорченного воздуха. И тут церковным мышам не повезло. Они стали участницами различных опытов английского ученого.

Джозеф Пристли ставил под одну банку горящую свечу, а в другую сажал мышь. Свеча тухла, грызун погибал.

В наше время его самого зоозащитники посадили бы в банку, но в далеком 1771 году ученому никто не помешал продолжить свои опыты. Пристли посадил мышь в банку, где до этого потухла свеча. Животное погибло еще быстрее.

И тогда Пристли сделал вывод, что раз все живое на Земле до сих пор не погибло, Бог (мы же помним, что Пристли был священником), придумал некий процесс, чтобы воздух вновь был пригоден для жизни. И скорее всего, основная роль в нем принадлежит растениям.

Чтобы доказать это, ученый взял воздух из банки где погибла мышь, и разделил его на две части. В одну банку он поставил мяту в горшочке. А другая банка ждала своего часа. Через 8 дней растение не только не погибло, а даже выпустило несколько новых побегов. И он опять посадил грызунов в банки. В той, где росла мята — мышь была бодра и закусывала листиками. А в той, где мяты не было — практически моментально лежала дохлая мышиная тушка.

Опыты Пристли вдохновили ученых, и во всем мире начали отлавливать мелких грызунов и пытаться повторить его эксперименты.

Но мы же помним, что Пристли был священником и весь день, до вечерней службы мог заниматься исследованиями.

А Карл Шееле, аптекарь из Швейцарии, экспериментировал в домашней лаборатории в свободное от работы время, т.е. по ночам, и мыши дохли у него независимо от присутствия мяты в банке. В результате его экспериментов получалось, что растения не улучшают воздух, а делают его непригодным для жизни. И Шееле обвинил Пристли в обмане научной общественности. Пристли не уступил, и в результате противостояния ученых было установлено, что для восстановления воздуха растениям необходим солнечный свет.

Именно эти опыты положили начало изучению фотосинтеза.

Исследование фотосинтеза стремительно продолжалось. Уже в 1782 году, спустя всего лишь 11 лет после исследований Пристли, швейцарский ботаник Жан Сенебье доказал, что органоиды растений разлагают углекислый газ в присутствии солнечного света. И практически еще сто лет провальных и удачных экспериментов понадобилась ученым разных специальностей, чтобы в 1864 году немецкий ученый Юлиус Сакс смог доказать, что растения потребляют углекислый газ и выделяют кислород в соотношении 1:1.

Значение фотосинтеза для жизни на Земле

И теперь становится понятна важность процесса фотосинтеза для жизни на земле. Именно благодаря этому сложному химическом процессу стало возможно зарождение жизни на земле и существование человека.

Кто-то может возразить, что на Земле есть места, где не растут ни деревья ни кустарники, например, пустыни или Арктические льды. Ученые доказали, что доля кислорода, выделяемого зеленой массой лесов, кустарников и трав — т. е. растений, что обитают на поверхности суши, составляет всего около 20% газообмена, а 80% кислорода приходится на мельчайшие морские и океанские водоросли, которые потоками воздуха переносятся по всей планете, позволяя дышать животным в экстремальных, практически лишенных растительности регионах нашей удивительной планеты.

Благодаря фотосинтезу вокруг нашей планеты сформировался защитный озоновый экран, защищающий все живое на земле от космической и солнечной радиации, и живые организмы смогли выйти на сушу из глубин океана.

К сожалению, в настоящее время кислород потребляют не только живые существа, но и промышленность. Уничтожаются тропические леса, загрязняются океаны, что приводит к снижению газообмена и увеличению дефицита кислорода.

Определение и формула фотосинтеза

Схема фотосинтеза, на первый взгляд, проста:

Вода + квант света + углекислый газ → кислород + углевод

или (на языке формул):

Если копнуть поглубже и посмотреть на лист в электронный микроскоп, выяснится удивительная вещь: вода и углекислый газ ни в одной из структурных частей листа непосредственно друг с другом не взаимодействуют.

Фазы фотосинтеза

К фотосинтезу способны не только растения, но и многие одноклеточные животные благодаря специальным органоидам, которые называются хлоропласты.

Хлоропласты — это пластиды зеленого цвета фотосинтезирующих эукариот. В состав хлоропластов входят:

две мембраны;
стопки гранов;
диски тилакоидов;
строма — внутреннее вещество хлоропласта;
люмен — внутреннее вещество тилакоида.

Сложный процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой. Как понятно из названия, световая (светозависимая) фаза происходит с участием квантов света. Название темновая фаза вовсе не означает, что процесс происходит в темноте. Более точное определение — светонезависимая. Т.е. для реакций, происходящих в этой этой фазе, свет не нужен, а протекает она одновременно со световой, только в других отделах хлоропласта.

Многие делают ошибку, говоря, что в процессе фотосинтеза происходит производство растениями такого необходимого человечеству кислорода. На самом деле фотосинтез — это синтез углеводов (например, глюкозы), а кислород — лишь побочный продукт реакции.

Световая фаза фотосинтеза

Световая фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов. Фотон света, попадая на хлорофилл, возбуждает его и происходит выделение электронов и скопление отрицательно заряженных электронов на мембране. После того, как хлорофилл потерял все свои электроны, квант света продолжает воздействовать на воду, вызывая фотолиз Н₂О.

Положительно заряженные протоны водорода накапливаются на внутренней мембране тилакоида.

Получается такой бутерброд: с одной стороны отрицательно заряженные электроны хлорофилла, с другой – положительно заряженные протоны водорода, а между ними – внутренняя мембрана тилакоида.

Гидроксильные ионы идут на производство кислорода:

Когда количество протонов водорода и электронов достигает максимума, запускается специальный переносчик — АТФ-синтаза. АТФ-синтаза выталкивает протоны водорода в строму, где их подхватывает специальный переносчик никотинамиддинуклеотидфосфат или сокращенно НАДФ. НАДФ — специфический переносчик протонов водорода в реакциях углеводов.

Прохождение протонов водорода через АТФ-синтазу сопровождается синтезом молекул АТФ из АДФ и фосфата или фотофосфорилированием, в отличие от окислительного фосфорилирования.

На этом световая фаза фотосинтеза заканчивается, а НАДФН+ и АТФ переходят в темновую фазу.

Повторим ключевые процессы световой фазы фотосинтеза:

Фотон попадает на хлорофилл с выделением электронов.
Фотолиз воды.
Выделение кислорода.
Накопление НАДФН+.
Накопление АТФ.

Влияние различных световых волн на растения.

Растения могут воспринимать более широкую часть солнечного спектра , чем видимое человеческим глазом излучение. Ультрафиолетовое и инфракрасное излучения также оказывают влияние на развитие растений. Есть такие части спектра, которые растения "не замечают", есть такие, от которых растения погибают. Путем наиболее важных экспериментов были вычислены те части светового спектра , которые наиболее благотворно и плодотворно влияют на растения.

Исследования влияния разных частей спектра на рост и развитие растений начали проводиться ещё в начале прошлого века. В последнее десятилетие изучение этого вопроса только активизировалось. В некоторой степени этому способствовало развитие светодиодной индустрии, давшее возможность получать светодиоды с необходимой длиной волны.

В результате этих экспериментов были получены такие данные:

200-280 нм - ультрафиолет, токсичен и вреден для растений, эта часть спектра используется в медицине как бактерицидная;

280-315 нм - ультрафиолетовый спектр, может быть причиной увядания растений;

315-380 нм - часть ультрафиолетового спектра, которая действует угнетающе на растения. Однако было установлено, что при краткосрочном воздействии (порядка 20 минут в день) эта часть спектра положительно влияет на рост, время цветения и размер плодов у многих растений. Особенно это актуально для высокогорных растений;

380-400 нм - начало видимого спектра. Начинается процесс поглощения хлорофиллом;

400-500 нм - фиолетовый, синий и начало зеленого спектра. В этой части спектра (430-460 нм) наблюдается пик поглощения излучения хлорофиллом. Оказывает сильное влияние на фотосинтез (обеспечивает набор вегетативной массы);

500-610 нм - зеленый, желтый и оранжевый спектры. Оказывает слабое влияние на растения;

610-720 нм - красный спектр. В этой части спектра находится второй пик поглощения хлорофиллом (630-670 нм), очень сильно влияет на фотосинтез, стимулирует завязь бутонов, цветение и плодоношение;

720-1000 нм - в этой части спектра хлорофилл поглощает слабее. В некоторых случаях влияет на всхожесть и цветение;

1000+ - инфракрасный спектр. Вся энергия, поглощаемая на этом уровне, преобразуется в тепло.

Влияние отдельных частей светового спектра на развитие растений

Спектральная часть света большинства осветительных приборов довольно узкая, и возникает вопрос, какие предпочтительнее, как лучше сделать систему освещения. Вопросу влияния монохромного света на развитие растений посвящено множество научных работ. Эксперименты показали, что каждый участок светового спектра определенным образом оказывает воздействие на посадки.

Спектр поглощения хлорофилла (по горизонтали – длина волны в нанометрах).

Ультрафиолетовые лучи дают возможность растениям закалиться, они предупреждают вытягивание растений, повышают в них содержание витаминов.

Фиолетовые и синие лучи спектра способствуют более интенсивному протеканию фотосинтеза, формируются более крепкие саженцы.

Зеленая часть спектра негативно влияет на интенсивность фотосинтеза. При зеленом освещении стебель вытягивается, а листочки истончаются.

Красные и оранжевые лучи крайне необходимы для нормального протекания фотосинтеза. В этом спектре света растения активно развиваются, наращивая зеленую массу.

Вернуться к оглавлению

Люминесцентные лампы

Менять светильники для теплиц под каждый этап развития растения, может, и эффективно для получения урожая, но достаточно хлопотно и неэкономно даже в хорошо поставленном промышленном тепличном хозяйстве. Поэтому потребитель стремится приобрести лампы со спектром излучения, близким к естественному, для освещения культивируемых растений на всех этапах вегетации. Лампы для теплиц нужны универсальные, способные зимой имитировать солнечный свет.

Расположение светильников в теплице: 1 – Розетка для обогревателя; 2 – Главный электрический щит; 3 – Компактная люминесцентная лампа; 4 – Розетка для обогревающего мата; 5 – Выключатели; 6 – Балласт для ГЛВИ.

Для освещения зимой парника опытные садоводы рекомендуют применять люминесцентные лампы (лампы дневного освещения) типа ЛБ или ЛТБ как наиболее экономичный вариант.

Световой режим парника больше ориентирован на инсоляцию. В парнике дополнительное освещение монтируется только над рассадой или молодыми побегами. Для этого нужно сделать рамы из подручного материала, с закрепленными на ней трубчатыми лампами дневного освещения. Закрепляются они обычно на высоте 1 метра над полками с рассадой. Количество ламп зависит от площади парника. Подойдет для парника и свет от лампочек накаливания, но в этом случае лампочки должны располагаться значительно выше.

Лампы дневного освещения яркие, но ее поверхность не нагревается и не нагревает воздух, следовательно, не нарушает микроклимат теплицы или оранжереи. Лампы дневного света излучают свет практически полного спектра, который достаточен для растений в любой период роста. Люминесцентные лампы более предпочтительны и при организации освещения для зимних садов. Освещение зимой просто необходимо. Его можно сделать самостоятельно, закрепив лампы над теми растениями, которые более других нуждаются в досвечивании. Их можно размещать на достаточно близком расстоянии от выращиваемых цветов, пальм и другой теплолюбивой растительности.

Кроме экономии средств, люминесцентные лампы имеют и другие привлекательные характеристики.

У люминесцентных ламп высокая светоотдача – от 50 до 80 Лм/В.

Люминесцентные лампы универсальны. Освещение теплиц будет более качественным, если подобрать тип ламп, которые излучают нужную частоту спектра. Так, лампы холодного белого цвета комбинируют с лампами теплого белого цвета и получают качественное освещение.

Иногда к освещению люминесцентными лампами добавляют ультрафиолетовые, подавляющие развитие бактерий и других вредителей.

Как было сказано выше, люминесцентные лампы реагируют на изменение внешних условий. Оптимальной рабочей средой для таких ламп являются температура от 18 °С до 25°С и влажность не более 70%. При меньшей температуре или повышенной влажности лампа может погаснуть

Чтобы избежать неприятных ощущений, которые вызывают мерцания стробоскопа, к люминесцентным лампам подключают противомерцательные устройства.

В теплице для освещения люминесцентные лампы монтируются в различных положениях. Вертикально они устанавливаются в стандартной осветительной арматуре; горизонтально – в прямоугольной металлической.

При организации освещения в теплицах необходимо учесть, что для управления работой системы освещения потребуется пускорегулирующий аппарат, распределяющий энергию по светильникам, исходя из конкретных погодных условий и потребностей выращиваемой культуры. Проводку освещения в теплице можно сделать и своими силами, но лучше поручить специалисту. Внутри парников, теплиц и оранжерей обычно повышенная влажность, поэтому при прокладке осветительной системы следует предпринять все меры предосторожности.

Успейте купить все необходимое для выращивания растений и высадки рассады в обновленный каталог ОБИ

Фотосинтетические пигменты высших растений делятся на две группы — хлорофиллы и каротиноиды. Роль этих пигментов состоит в том, чтобы поглощать свет и превращать его энергию в химическую энергию.

Пигменты локализованы в мембранах хлоропластов, и хлоропласты обычно располагаются в клетке так, чтобы их мембраны находились под прямым углом к источнику света, что гарантирует максимальное поглощение света.

В табл. 9.4 перечислены пигменты, характерные для различных групп растений.

Таблица 9.4. Главные фотосинтетические пигменты, их цвет и распространение

Хлорофиллы

Хлорофиллы поглощают главным образом красный и сине-фиолетовый свет. Зеленый свет они отражают и потому придают растениям характерную зеленую окраску, если только ее не маскируют другие пигменты. На рис. 9.9 показаны спектры поглощения хлорофиллов a и b — для сравнения — спектр каротиноидов.

Рис. 9.9. Спектры поглощения хлорофиллов a и b и каротиноидов

Для хлорофиллов характерно наличие порфиринового кольца (рис. 9.10). Такая же структура имеется и в других важных биологических соединениях — в геме гемоглобина, миоглобина и цитохромов. Порфириновое кольцо — это плоская квадратная структура, состоящая из четырех меньших колец (I-IV), каждое из которых содержит по одному атому азота, способному взаимодействовать с атомами металлов; в хлорофиллах это магний, в геме-железо.

Рис. 9.10. Строение хлорофилла. Координационная связь: Х-СН3 — у хлорофилла а; -СНО — у хлорофилла b

Связь такой структуры с функцией можно описать следующим образом:

а) длинный хвост растворим в липидах (т. е. он гидрофобный) и таким образом удерживает молекулу в мембране тилакоида;

б) голова гидрофильная (т. е. обладает сродством к воде), и поэтому она обычно лежит на той поверхности мембраны, которая обращена к водной среде стромы;

в) для лучшего поглощения света плоскость головы расположена параллельно плоскости мембраны;

г) модификация боковых групп на голове приводит к изменениям в спектре поглощения, в результате чего меняется и количество поглощаемой энергии света;

д) поглощение световой энергии головой приводит к эмиссии электронов.

Хлорофилл а — фотосинтетический пигмент, представленный в наибольшем количестве; это единственный пигмент, который имеется у всех фотосинтезирующих растений и играет у них центральную роль в фотосинтезе. Существует несколько форм этого пигмента, которые различаются своим расположением в мембране. Каждая форма слегка отличается от других и по положению максимума поглощения в красной области; например, этот максимум может быть при 670, 680, 690 или 700 нм.

9.6. Чем отличается спектр поглощения хлорофилла а от спектра поглощения хлорофилла b?

Каротиноиды

Каротиноиды — это желтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, которые сильно поглощают в сине-фиолетовой области. Обычно они замаскированы зелеными хлорофиллами, но хорошо выявляются перед листопадом, так как хлорофиллы в листьях распадаются первыми. Каротиноиды содержатся также в хромопластах некоторых цветков и плодов, яркая окраска которых служит для привлечения насекомых, птиц и других животных, участвующих в опылении цветков или распространении семян; например, красный цвет кожицы помидоров обусловлен присутствием одного из каротинов — ликопина.

Каротиноиды имеют три максимума поглощения в сине-фиолетовой области спектра (рис. 9.9); они не только функционируют как дополнительные пигменты, но и защищают хлорофилл от избытка света и от окисления кислородом, выделяющимся при фотосинтезе.

Каротиноиды бывают двух типов — каротины и ксантофиллы. Каротины — это углеводороды, большую часть которых составляют тетратерпены (С40-соединения). Самым распространенным и самым важным из них является β-каротин (рис. 9.11), который знаком всем как оранжевый пигмент моркови. Позвоночные животные способны в процессе пищеварения расщеплять молекулу каротина надвое с образованием двух молекул витамина А. Ксантофиллы по химическому строению очень сходны с каротинами и отличаются от них только тем, что содержат кислород.

Рис. 9.11. Строение β-каротина

Спектры поглощения и спектры действия

При изучении какого-либо процесса, активируемого светом, в частности фотосинтеза, очень важно знать спектр действия для данного процесса — тогда можно попытаться идентифицировать пигменты, которые в нем участвуют.

Спектр действия — это график, показывающий эффективность стимулирующего действия света с различной длиной волны на исследуемый процесс, в нашем случае — на фотосинтез; эту эффективность можно оценивать, например, по образованию кислорода.
Спектр поглощения — это график, отображающий относительное поглощение света с различной длиной волны тем или иным пигментом. Спектр действия для фотосинтеза показан на рис. 9.12, вместе с объединенным спектром поглощения всех фотосинтетических пигментов.

Обратите внимание на большое сходство этих двух графиков: оно свидетельствует о том, что именно пигменты, и в частности хлорофилл, ответственны за поглощение света при фотосинтезе.

Рис. 9.12. Сравнение спектра действия фотосинтеза со спектром поглощения фотосинтетических пигментов

Возбуждение пигментов светом

Пигменты — это химические соединения, которые поглощают видимый свет, что приводит к переходу некоторых электронов в возбужденное состояние, т. е. эти электроны поглощают энергию. Чем меньше длина волны, тем выше энергия света и тем больше его способность переводить электроны в возбужденное состояние.

Такое состояние обычно неустойчиво, и вскоре молекула возвращается в свое основное состояние (т. е. исходное низкоэнергетическое состояние), теряя при этом энергию возбуждения. Эта энергия может использоваться разными способами, в том числе на процесс, обратный поглощению света и называемый флуоресценцией.

При этом часть энергии теряется в виде тепла, поэтому излучаемый свет имеет несколько большую длину волны (и меньшую энергию), чем поглощенный. Это можно увидеть, если сначала осветить раствор хлорофилла, а затем посмотреть на него в темноте.

Всякий потерянный электрон будет принят другой молекулой — так называемым акцептором электрона, так что в целом это окислительно-восстановительный процесс (см. Приложение 1.2). Хлорофилл окисляется, а акцептор электрона восстанавливается. Хлорофилл служит здесь донором электрона.

Главные и вспомогательные пигменты

Фотосинтетические пигменты бывают двух типов — главные и вспомогательные. Пигменты второго типа передают испускаемые ими электроны главному пигменту. Электроны, испускаемые главными пигментами, непосредственно доставляют энергию для реакций фотосинтеза.

9.7. Поскольку энергию нельзя передавать со 100%-ной эффективностью, переход электрона от одной молекулы пигмента к другой должен сопровождаться некоторой потерей энергии в виде тепла. Хлорофилл b передает электроны на хлорофилл а. Можете ли вы сказать заранее, какой из этих хлорофиллов — а или b — обладает меньшей энергией возбуждения (т. е. энергией, необходимой для того, чтобы пигмент испустил электрон)?

Фотосинтетические единицы и реакционные центры

За последние двадцать лет мы многое узнали о расположении пигментов и связанных с ними молекул в мембранах тилакоидов. В настоящее время принято считать, что существует два типа фотосинтетических единиц, которые называют фотосистемами I и II (ФСI и ФСII).

Каждая из этих единиц состоит из набора молекул вспомогательных пигментов, передающих энергию на одну молекулу главного пигмента. Последняя называется реакционным центром; в нем энергия света используется для осуществления химической реакции. Именно здесь происходит преобразование световой энергии в химическую, и именно оно является центральным событием фотосинтеза.

Судя по результатам биохимических и электронно-микроскопических исследований, каждая фотосистема содержит около 300 молекул хлорофилла. Препараты для электронной микроскопии приготовлялись методом замораживания-скалывания, который описан в Приложении 2.5; это один из хороших примеров успешного применения такого метода.

Как видно на рис. 9.13, в мембранах тилакоидов имеются частицы двух типов, расположенные в определенном порядке; такие частицы называются квантосомами. Как полагают, более мелкие частицы составляют фотосистему I, а более крупные — фотосистему ΙΙ. Для каждого типа частиц характерен свой специфический набор молекул хлорофилла (рис. 9.14).

Другие специфические формы хлорофилла а, например a670 или a680, можно считать такими же вспомогательными пигментами, как и хлорофилл b. На рис. 9.14 не показаны каротиноиды, но они, по-видимому, тоже играют роль вспомогательных пигментов. Электроны, попавшие в энергетическую ловушку, используются для запуска световых реакций.

Рис. 9.13. Тилакоиды хлоропласта, выявленные методом замораживания-скалывания. Видна поверхность скола мембран самих гран и между ними. Обратите внимание на агрегаты частиц на этих мембранах

Рис. 9.14. Схематическое представление об энергетических ловушках в фотосистемах I и II. Р — пигмент, те молекула первичного пигмента хлорофилла а

КАРОТИНОИДЫ, природные органические пигменты от жёлтого до красно-фиолетового цвета, продуцируемые бактериями, грибами, растениями. Широко распространены в природе: около 600 различных каротиноидов обнаружены в клетках и тканях всех представителей живой природы в свободном состоянии или в виде гликозидов, эфиров жирных кислот, каротин-протеиновых комплексов.

Каротиноиды обусловливают окраску некоторых цветков, плодов, корней, а также осенней листвы растений; каротиноиды, получаемые животными с пищей, окрашивают покровы многих видов рыб, птиц, насекомых, ракообразных.

Каротиноиды в наибольшем количестве содержатся в корнеплодах моркови, листьях петрушки, лука, шпината, плодах абрикосов, томатов, тыквы, облепихи.

Каротиноиды имеют структуру изопреноидов; в молекулах каротиноидов четыре изопреновых фрагмента связаны в полиеновую цепь — формула I (R и R’ — главным образом циклогексеновые или алифатические изопреновые фрагменты либо кислородсодержащие производные циклогексена).

Каротиноиды подразделяют на тетратерпеновые углеводороды (каротины) общей формулы С40Н56, кислородсодержащие производные тетратерпеновых углеводородов (ксантофиллы) и каротиноиды, содержащие в молекулах больше или меньше 40 атомов углерода.

В высших растениях наиболее широко представлены каротиноидные углеводороды, главным образом β-каротин (R = R’ = II; составляет 20-30% природных каротиноидов), ликопин (R = R’ = III), γ-каротин (R = II, R’ = III). Каротиноидные углеводороды растворимы в эфирах, хлороформе, бензоле, жирах и маслах, нерастворимы в воде.

Легко окисляются О2 воздуха, неустойчивы на свету и при нагревании в присутствии кислот и щелочей. β-Каротин выделяют экстракцией из моркови, люцерны, гречихи, пальмового масла и другого растительного сырья; в промышленности получают путём микробиологического или химического синтеза (тёмно-рубиновые кристаллы, tпл 182-184°С). Ликопин выделяют из томатов или синтезируют (красно-фиолетовые кристаллы, tпл 174°С).

Среди кислородсодержащих каротиноидов наиболее распространены каротиноиды, в молекулах которых есть гидроксильные группы, например, лютеин (R = IV, R’ = V; жёлтые кристаллы, tпл 193°С), криптоксантин (R = IV, R’ = I; жёлтые кристаллы, tпл 174°С.

Встречаются каротиноиды, содержащие карбонильные группы, например, кантаксантин (R = R’ = VI), эпоксидные группы, например, виолаксантин (R = R’ = VII), карбоксильные группы, например, биксин (R = СООН, R’ = СООСН3), и др.

Каротиноиды участвуют в фотосинтезе (как вспомогательные светопоглощающие пигменты), транспорте кислорода через клеточные мембраны, защите хлорофилла от фотоокисления.

Каротиноиды, содержащие в молекуле фрагмент R = II, являются предшественниками витамина А (в организме животных в результате ферментативного расщепления превращаются в витамин А). У животных каротиноиды стимулируют деятельность половых желёз, у человека повышают иммунный статус, предохраняют от фотодерматозов, играют важную роль в процессах восприятия света сетчаткой глаза; являются природными антиоксидантами.

Каротиноиды используют в качестве пищевых красителей, компонентов корма для животных, в медицинской практике — для лечения кожных покровов.

За исследования каротиноидов присуждены две Нобелевские премии: П. Карреру в 1937 и Р. Куну в 1938 годах.

Лит.: Бриттон Г. Биохимия природных пигментов. М., 1986; Карнаухов В. Н. Биологические функции каротиноидов.

Пигменты фотосинтеза. Каротиноиды. Фикобилины.

Витамин А — ретинол. Жирорастворимый. Суточная потребность около 1 мг. Участвует в процессах цветовосприятия, входит в состав зрительного пигмента родопсина.

Каротиноиды относятся к классу тетратерпеноидов (С5Н8)8 и представлены примерно 70 соединениями. Провитамином А является 9 веществ, имеющих в своей структуре b-иононовое кольцо.

Наиболее активным является b-каротин, имеющий два b-иононовых кольца.

Из молекулы b-каротина получают 2 молекулы витамина А.

Каротиноиды широко распространены в растительном мире.

Локализуются в хлоропластах и хромопластах листьев, цветков, плодов, корнеплодах (морковь), придавая им оранжево-красную окраску.

Наиболее богаты каротиноидами растения сем. Asteraceae, Elaeagnaceae, Polygonaceae, Lamiaceae и др.

В растениях играют роль светофильтра, участвуют в процессе оплодотворения, переносе кислорода.

На образование каротиноидов положительно влияют свет, повышенные температуры.

Осадки, низкая температура влияют отрицательно.

Высокоплавкие желтые, оранжевые, красно-оранжевые вещества, легко растворимые в органических растворителях, жирах, не растворимые в воде. Растворы имеют окраску от желтой до оранжевой и оранжево-красной с желтовато-зеленой флуоресценцией.

Это свойство используется при количественном определении каротиноидов. Они легко окисляются кислородом воздуха, разрушаются на свету.

Кислая среда ускоряет окисление каротиноидов.

Заготовка

Сырье заготавливают в сроки, указанные в НД. Максимальное содержание каротиноидов в надземной части накапливается в фазу бутонизации-начала цветения, в плодах — зрелых.

Каротиноиды очень нестойкие вещества, поэтому сырье сушат быстро без доступа солнечных лучей при температуре +40-600.

Читайте также: