Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом.

Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом.

Среди пигментов зеленого листа хлорофилл, по выражению Ч. Дарвина, — это, по-видимому, одно из интереснейших веществ во всем органическом мире.

Впервые зеленый пигмент был выделен из листьев растений в 1818 г. французскими учеными Ж. Пельтье и Ж. Каванту, которые назвали его хлорофиллом. Химическое изучение этого пигмента было начато в 1907 г. Р. Вильштеттером и продолжено Г. Фишером в 1929 г., который в 1940 г. предложил полную структурную формулу хлорофилла; наконец, в 1960 г. осуществлен синтез хлорофилла.

Все хлорофиллы являются магниевыми солями пиррола:

Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом.

В центре молекулы хлорофилла находятся магний и четыре пиррольных кольца, соединенных друг с другом метиновыми мостиками.

Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом.

Хлорофиллы являются сложными эфирами дикарбоновой хлорофиллиновой кислоты С32Н30ОN4Мg(СООН)2 с двумя спиртами — фитолом (С20Н39ОН) и метанолом (СН3ОН).

Поэтому суммарную, формулу хлорофилла а — С55Н72О5N4Мg можно изобразить и так:

Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом.

Таким образом, в карбоксильных группах водород замещен oстатками метилового спирта (СН3) и фитола (С20Н39).

Важнейшей частью молекулы хлорофилла является центральное ядро. Оно состоит из четырех пиррольных пятичленных колец, соединенных между собой углеродными мостиками и образующих большое порфириновое ядро с атомами азота посередине, связанными с атомом магния.

В молекуле хлорофилла имеется дополнительное циклопентановое кольцо, которое содержит карбонильную, а также карбоксильную группы, соединенные эфирной связью с метиловым спиртом.

Наличие в порфириновом ядре конъюгированной по кругу системы десяти двойных связей и магния обусловливает характерный для хлорофилла зеленый цвет.

Хлорофилл b отличается от хлорофилла а только тем, что в его молекуле вместо метильной группы во втором пиррольном кольце содержится альдегидная группа СОН. Хлорофилл а имеет сине-зеленую окраску, а хлорофилл b — светло-зеленую. Адсорбируются они в разных слоях хроматограммы, что свидетельствует о разных химических и физических свойствах.

По современным представлениям, биосинтез хлорофилла b идет через хлорофилл а.

Спирт фитол по своей природе подобен пигменту каротину и является производным ненасыщенного углеводорода изопрена:

Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом.

Остаток фитола в хлорофилле придает ему липоидные свойства, т. е. способность растворяться в жировых растворителях. Изопрен служит исходным веществом для различных терпенов, эфирных масел, фитола, каротиноидов, каучука, являющихся продуктом полимеризации его молекулы.

При настаивании зеленых листьев в этиловом спирте в клетках образуются зеленые кристаллы. Это этилхлорофиллид — продукт замещения остатка фитола С20Н39 в хлорофилле остатком этилового спирта C2H5:

Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом.

Расщепление таких связей осуществляется ферментом из класса гидролаз — хлорофиллазой, способной действовать в концентрированных спиртовых растворах.

Молекула бактериохлорофилла отличается от хлорофилла тем, что вместо винильной группы (-СН=СН2) в первом пиррольном кольце находится ацильная группа (-СО-СН3) и гидрированы 3-й и 4-й атомы углерода (второе пиррольное кольцо).

По строению порфириновое ядро хлорофилла подобно активным группам некоторых важнейших дыхательных ферментов: пероксидазе, каталазе, цитохромоксидазе и гемину — красящему веществу крови.

В состав этих ферментов и гемина крови также входят четыре пиррольных остатка, соединенных в виде порфиринового ядра, в центре которого находится железо.

Сходство строения красящего вещества растений хлорофилла со строением гемина крови было впервые доказано одним из основоположников биохимии в России профессором экспериментальной медицины в Петербурге М. В. Ненцким и профессором Краковского университета Л. П.

Мархлевским. В последние годы ряд исследователей обнаружили в клубеньках бобовых растений гемоглобин, в состав которого входит гемин, что свидетельствует о единстве растительного и животного мира.

Флуоресценция.

Одно из важнейших свойств хлорофиллов — их ярко выраженная способность к флуоресценции, которая ючень интенсивна в растворе и угнетена в хлорофилле, содержащемся в тканях листьев, пластидах.

Известно, что флуоресценция — это свойство многих тел под влиянием падающего света, в свою очередь, излучать свет; при этом длина волны излучаемого света обычно больше длины волны возбуждающего света.

Если смотреть на раствор хлорофилла в лучах света, проходящих через него, то он кажется изумрудно-зеленым, если же рассматривать его в лучах отраженного света, то он приобретает красную окраску — это и есть явление флуоресценции.

Свойство вещества поглощать свет зависит от его атомного строения, и в первую очередь от расположения окружающих ядро электронов. При поглощении фотона атомом или молекулой его энергия воспринимается одним из электронов, и атом или молекула переходит на уровень, более богатый энергией, — в возбужденное состояние.

Возбудить атом или молекулу могут лишь фотоны определенной длины волны, поскольку процесс возбуждения молекулы имеет не непрерывный, а квантовый характер, т. е. энерги деленными порциями, или квантами. Возбуждение молекулы светом происходит менее чем за 10-15 с. Обычно возбужденные молекулы неустойчивы: время их жизни в возбужденном состоянии составляет в среднем 10-9-10-8 с.

Когда действие света прекращается, возбужденная молекула возвращается в начальное состояние с более низким уровнем энергии. Возвращение к основному состоянию сопровождается потерей энергии, которая была поглощена во время возбужденного состояния, она переходит в тепло или излучается в виде света. Излучение света в этом случае и называется флуоресценцией.

Ослабление флуоресценции хлорофилла в живых тканях, очевидно, объясняется поглощением света флуоресценции самими пигментами.

Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом. Рис. 26. Спектры поглощения хлорофиллов и каротиноидов; на оси абсцисс — длина волны (нм), на оси ординат — коэффициент поглощения: 1 — хлорофилл а; 2 — хлорофилл b; 3 — каротиноиды.

Имеются данные, свидетельствующие о том, что флуоресценция изменяется с развитием растительного организма и зависит от его физиологических свойств. Способность хлорофиллов к интенсивной флуоресценции указывает на их значительную фотохимическую активность.

Спектры поглощения пигментов. Каждое химическое вещество имеет определенный спектр поглощения, который может захватывать видимый и невидимый участки спектра.

Хлорофиллы а и b различаются спектрами поглощения: у хлорофилла b по сравнению с хлорофиллом а полоса поглощения в красной области спектра несколько смещена в сторону коротковолновых лучей, а в сине-фиолетовой области максимум поглощения смещен в сторону длинноволновых, т. е. красных, лучей (рис. 26 и табл. 7).

Таблица 7. Спектры поглощения пигментов

Тип пигмента Характерные максимумыпоглощения в органических растворителях, нм Распространение
Хлорофиллы:
хлорофилл а 420, 660 Все высшие растения и водоросли
хлорофилл b 435, 643 Все высшие растения и зеленые водоросли
хлорофилл c 445, 625 Диатомовые и бурые водоросли
хлорофилл d 450, 690 Красные водоросли
Бактериохлорофилл 557, 773 Пурпурные серобактерии
Каротиноиды:
β-каротин 425, 450, 480 Высшие растения и большинство водорослей
α-каротин 420, 440, 470 Большинство растений и некоторые водоросли
лютеин 425, 445, 475 Зеленые и красные водоросли и высшие растения
виолаксантин 425, 450, 475 Высшие растения
фукоксантин 425, 450, 475 Диатомовые и бурые водоросли
Фикобилины:
фикоэритрины 490, 546, 576 Красные водоросли и некоторые сине-зеленые водоросли (цианобактерии)
фикоцианы 618 Сине-зеленые водоросли и некоторые красные водоросли
аллофикоцианы 650 Сине-зеленые и красные водоросли

С помощью дифференциальной спектрофотометрии установлено, что, хлорофилл — это комплекс зеленых пигментов, компоненты которого имеют различные полосы поглощения в дальних красных и ближних инфракрасных лучах, а именно: 670, 685, 705 и 720 нм. Вероятно, в хлоропластах есть несколько форм хлорофилла, имеющих различный характер связей белков с липидами, что влияет на его оптические свойства. В толстом слое хлорофилла зеленые лучи гаснут, и он приобретает вишнево-красную окраску.

Солнечные лучи имеют разную длину волны, из них глаз человека воспринимает как свет лишь лучи с длиной волны 390-760 нм. Цвет всякого тела, в том числе хлорофилла и желтых пигментов, зависит от лучей, дополнительных к поглощенным.

Следовательно, зеленый цвет хлорофилла зависит от непоглощенных зеленых лучей. Но зеленый цвет растений не является чисто-зеленым. Это смесь зеленого с красным, в чем можно убедиться, если смотреть на зеленый ландшафт через синее стекло, которое поглощает зеленые лучи и пропускает часть красных.

При этом можно увидеть фантастический ландшафт с кораллово-красными лугами и лесами.

Сложную смесь пигментов можно разделить с помощью реакции Крауса, основанной на их различной растворимости в спирте и бензине, к спиртовой вытяжке хлорофилла необходимо добавить бензин, в который перейдет хлорофилл, в нижнем спиртовом слое будут содержаться ксантофиллы.

Если в делительную воронку прибавить гидрат окиси калия, то он, попадая в нижний спиртовой слой, образует спиртовую щелочь, при взбалтывании жидкости произойдет омыление хлорофилла.

В группах СООСН3 и СООС20Н39 место остатков метилового спирта и фитола займет калий, зеленый пигмент — производное хлорофилла — перейдет в нижний слой и смешается с ксантофиллами, а в верхнем слое останется только желтый пигмент—каротин; щелочные соли хлорофилла сохраняют цвет и флуоресценцию, поскольку центральное ядро молекулы хлорофилла не нарушено. Если с помощью кислоты вытеснить магний из молекулы хлорофилла и вместо него ввести водород, то образуется продукт бурой окраски — феофитин. Зеленую окраску можно восстановить, если вместо водорода ввести металл — медь, магний, железо, цинк.

При постепенном расщеплении молекулы хлорофилла образуются порфирины, которые уже не содержат магния, но сохраняют все четыре пиррольных кольца, связанных между собой метиновыми мостиками (-СН=).

Одним из близких к ядру по своему строению соединений является этиопорфирин, который можно получить из гемоглобина крови.

Так устанавливается связь между двумя важнейшими пигментами органического мира — гемоглобином и хлорофиллом.

Пигментные системы фотосинтезирующих организмов. Хлорофиллы: строение, спектральные свойства, функции, биосинтез. Электронно-возбужденное состояние пигментов

Пигменты — важнейший компонент аппарата фотосинтеза. Изучение растительных пигментов резко ускорилось благодаря работам русского физиолога растений М. С. Цвета. Пытаясь найти способ разделения пигментов на индивидуальные вещества, Цвет в 1901 — 1903 гг.

открыл принципиально новый метод, который он назвал адсорбционной хроматографией.Через колонку с сорбентом пропускается растворитель с растворенными веществами. Так как вещества различаются по степени адсорбции, они перемещаются по колонке с разной скоростью.

В результате происходит разделение веществ.

Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом.

Польские биохимики М. Ненцкий и Л. Мархлевский (1897) обнаружили, что основу молекулы хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляет порфириновое кольцо. Таким образом было показано принципиальное структурное сходство этих пигментов у растений и животных.

Немецкий химик Р. Вильштеттер в 1906—1914 гг. установил элементарный состав хлорофилла а — C55H72O5N4Mg и хлорофилла b — C55H70O6N4Mg. Хлорофилл — сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта, а другая остатком одноатомного непредельного спирта фитола.

Читайте также:  Кератоакантома слизистых. Множественная кератоакантома типа Фергюссона—Смита. Лечение кератоакантомы.

Четыре пиррольных кольца (I — IV) соединены между собой метановыми мостиками, образуя порфириновое ядро. Наружные атомы углерода в тетрапиррольном цикле обозначены цифрами 1 — 10. Атомы азота пиррольных колец четырьмя координационными связями взаимодействуют с атомом магния.

В структуре порфиринового ядра есть также циклопентановое кольцо (V), образованное остатком кетопропионовой кислоты и содержащее химически активную карбонильную группу у С9 и метилированную карбоксильную группу у С10. Структура, состоящая из тетрапиррольного и циклопентанового колец, получила название форбина.

Боковая цепь IV пиррольного кольца включает в себя пропионовую кислоту, связанную сложноэфирной связью с полиизопреновым непредельным спиртом фитолом (С20Н39ОН). У 1, 3, 5 и 8-го углеродов пиррольных колец имеются метальные группы, у 2-го — винильная, у 4-го — этильная группа.

Порфириновое кольцо представляет собой систему из девяти пар конъюгированных (сопряженных) чередующихся двойных и одинарных связей с 18 делокализованными p-электронами. Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что у 3-го углерода вместо метильной находится формильная (—СНО) группа.

Структура хлорофилла, лишенная фитола, называется хлорофиллидом. При замещении атома магния протонами в молекуле хлорофиллов образуются соответствующие феофетины. Все фотосинтезирующие растения, включая все группы водорослей, а также цианобактерии, содержат хлорофиллы группы а.

Хлорофилл b представлен у высших растений, у зеленых водорослей и эвгленовых. У бурых и диатомовых водорослей вместо хлорофилла b присутствует хлорофилл c, а у многих красных водорослей — хлорофилл d.

Биосинтез хлорофиллов. Первый этап биосинтеза хлорофиллов у растений — образование 5-аминолевулиновой кислоты (А Л К) из С5-дикарбоновых кислот. Показано, что глутаминовая кислота через 2-гидроксиглутаровую превращается в 4,5-диоксовалериановую, которая затем аминируется за счет аланина или других аминокислот (рис. 5.2).

Реакция переаминирования катализируется АЛК-трансаминазой с участием пиридоксальфосфата в качестве кофермента. Для синтеза АЛК может использоваться и оскетоглутаровая (2-оксоглутаровая) кислота. Циклизация двух молекул АЛК приводит к образованию пиррольного соединения — порфобилиногена.

Из четырех пиррольных колец формируется уропорфириноген, который превращается в протопорфирин IX. Дальнейший путь превращений протопорфирина может быть различным. С участием железа формируется гем, входящий в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы и гемоглобина.

Если молекулу протопорфирина включается магний, затем карбоксильная группа у С10 этерифицируется метильной группой 6-аденозил-b-метионина и замыкается циклопентановое кольцо (К), то образуется протохлорофиллид.

Под действием света в течение нескольких секунд протохлорофиллид превращается в хлорофиллид а в результате гидрирования двойной связи у С7 — С8 в IV пиррольном ядре. У низших растений и некоторых голосеменных (у хвойных) хлорофиллид может образовываться в темноте. Хлорофиллид обладает теми же спектральными свойствами, что и хлорофилл.

Последний этап в формировании молекулы хлорофилла а — этерификация фитолом, который, как и все полиизопреновые соединения, синтезируется из ацетил-KоА через мевалоновую кислоту. По данным А. А. Шлыка (1965), хлорофилл b может образовываться из вновь синтезированных молекул хлорофилла а.

Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом.

Растворы хлорофиллов в полярных растворителях обладают яркой флуоресценцией (люминесценцией). В этиловом эфире у хлорофилла а наблюдается рубиново-красная флуоресценция с максимумом 668 нм, у хлорофилла b — 648 нм

Наиболее устойчивы те состояния атомов и молекул, в которых валентные электроны занимают самые низкие энергетические уровни и распределены по ним согласно принципу Паули (не более двух электронов с антипараллельными спинами на каждой орбитали). Такое состояние молекулы называют основным синглетным (S0) энергетическим состоянием.

Суммарный спин (вектор магнитных моментов) всех электронов молекулы в этом случае равен нулю. Когда молекула поглощает квант света, то за счет этой энергии электрон переходит на более высокие вакантные орбитали. Если у возбужденного электрона сохраняется то же направление спина, то молекула находится в синглетном возбужденном состоянии (S*).

Если при переходе на более высокую орбиталь спин электрона обращается, то такое возбуждение называется триплетным (T*). Прямой переход из основного состояния в триплетное — маловероятное событие, так как для этого необходимо обращение ориентации спина.

Переходу молекулы из основного состояния в возбужденное, происходящему при поглощении кванта света, соответствует полоса в спектре поглощения.

Поглощение молекулой хлорофилла кванта красного света приводит к синглетному электронвозбужденному состоянию — S*1.

При поглощении кванта синего света с более высоким уровнем энергии электрон переходит на более высокую орбиту (S*2).Возбужденная молекула хлорофилла возвращается в основное состояние различными путями.

Отдав часть энергии в виде теплоты (особенно с уровня S*1), молекула может излучить квант света с большей длиной волны (правило Стокса),что проявляется в виде флуоресценции.

Хлорофилл апоглощает свет в красной и синей областях спектра, но флуоресцирует лишь в красной. Время жизни синглетного возбужденного состояния 10-13 10-9с.

Другой путь потери энергии состоит в переходе молекулы из синглетного возбужденного состояния в метастабильное триплетное (с обращением спина). Этот переход безизлучательный, т. е. энергия теряется в виде теплоты.

Триплетное возбужденное состояние имеет гораздо большее время жизни (>10-4 с). Из триплетного состояния молекула может вернуться в основное, излучив еще более длинноволновый (чём в случае флуоресценции) квант света.

Это обычно более слабое свечение и есть фосфоресценция.

Энергия возбужденного состояния может быть использована на фотохимические реакции. В этом случае флуоресценции и фосфоресценции хлорофилла не наблюдается.

Молекула хлорофилла способна выполнять три важнейшие функции: 1) избирательно поглощать энергию света, 2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения, 3) фотохимически преобразовывать энергию возбужденного состояния в химическую энергию первичных фотовосстановленных и фотоокисленных соединений.

Световые реакции

Первый этап преобразования световой энергии в химическую это поглощение света. Пигмент представляет собой соединение, которое поглощает видимый свет. Некоторые пигменты поглощают свет любой длины волны и поэтому кажутся черными.

Другие свет только определенной длины волны, а остальной пропускают или отражают.

Хлорофилл это пигмент, который обусловливает зеленый цвет листьев; он поглощает в основном фиолетовые и синие лучи, а также красный свет, при этом отражая зеленый (поэтому он и кажется зеленым).

Спектр поглощения хлорофилла представлен на рис. 7-5 (спектр поглощения характеризует долю энергии поглощенного света в зависимости от длины волны).

Доказательство того, что хлорофилл это основной пигмент, участвующий в фотосинтезе, заключается в сходстве его спектра поглощения со спектром действия фотосинтеза (рис. 7-6).

Спектр действия определяет относительную эффективность различных длин волн света для таких светозависимых процессов, как фотосинтез, цветение, фототропизм (изгибание растения по направлению к свету).

Сходство спектра поглощения пигмента и спектра действия процесса считается доказательством того, что именно данный пигмент обеспечивает осуществление этого процесса (рис. 7-7). Когда пигменты поглощают свет и электроны поднимаются на более высокий энергетический уровень, дальнейшие события могут развиваться следующим образом:

(1) энергия электрона рассеивается в виде тепла;

(2) немедленно выделяется в виде световой энергии большей длины волны (это явление называют флуоресценцией, однако когда происходит испускание света с некоторой задержкой, то данное явление называют фосфоресценцией) или

(3) энергия запасается в форме химических связей, что и происходит в процессе фотосинтеза. Если выделить молекулы хлорофилла и осветить их, они флуоресцируют.

Иными словами, молекулы пигмента поглощают световую энергию, поэтому электроны немедленно поднимаются на более высокий энергетический уровень, а затем спускаются на более низкий, при этом выделяя большую часть поглощенной энергии в виде света.

Свет, поглощенный изолированными молекулами хлорофилла, не может преобразоваться в какую-либо другую форму энергии, полезную для живых систем.

Хлорофилл способен преобразовать энергию света в химическую только в комплексе с определенными белками, находящимися в тилакоидах.

Фотосинтетические пигменты

Пигменты, которые участвуют в процессе фотосинтеза, это хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины. Обнаружено несколько форм хлорофилла, которые различаются по молекулярной структуре. Хлорофилл а (рис. 7-8) характерен для всех фотосинтезирующих эукариот и цианобактерий.

Полагают, что это основной пигмент, участвующий в процессах фотосинтеза у данных организмов. Сосудистые растения, мхи, зеленые и эвгленовые водоросли содержат и хлорофилл Ь. Это вспомогательный пигмент, который расширяет спектр поглощения света в процессе фотосинтеза.

Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом.

Когда молекула хлорофилла b поглощает свет, то возбужденный электрон передает свою энергию хлорофиллу а, который затем в процессе фотосинтеза преобразует ее в энергию химических связей. Поскольку хлорофилл b поглощает свет других длин волн, нежели хлорофилл а, то тем самым расширяется диапазон длин волн, которые могут использоваться для фотосинтеза (рис. 7-7).

Содержание хлорофилла b в листьях зеленых растений составляет в целом 1/4 общего количества хлорофилла. У некоторых групп водорослей, в основном бурых и диатомовых, вместо хлорофилла b функционирует хлорофилл с. Фотосинтезирующие бактерии (не цианобактерии) не могут использовать электроны воды и поэтому не выделяют кислород.

Они содержат либо бактериохлорофилл (пурпурные бактерии), либо хлоробиум-хлорофилл (зеленые серные бактерии). Хлорофиллы b и с, а также фо.тосинтетические пигменты бактерий это химические вариации основной структуры, показанной на рис., 7-8. В преобразовании энергии участвуют и другие типы пигментов каротиноиды и фикобилины.

Энергия, поглощенная вспомогательными пигментами, должна быть перенесена на хлорофилл а; заменить его в процессе фотосинтеза данные пигменты не могут. Каротиноиды это красные, оранжевые или желтые жирорастворимые пигменты, обнаруженные в хлоропластах и у цианобактерий. Подобно хлорофиллам, каротиноиды хлоропластов погружены в тилакоидные мембраны.

В хлоропластах обычно присутствуют две группы каротиноидов каротины и ксантофиллы (последние в отличие от каротинов содержат кислород).

Бета-каротин, обнаруженный в растениях, служит основным источником витамина А, необходимого человеку и животным (рис. 7-9). В зеленых листьях каротиноиды маскируются большим количеством хлорофилла.

Фикобилины характерны для цианобактерий и хлоропластов красных водорослей.

В отличие от каротиноидов фикобилины растворяются в воде. ционного центра, где локализована специальная молекула хлорофилла а. Когда эта молекула поглощает световую энергию, электроны поднимаются на более высокий энергетический уровень и переносятся на молекулу акцептора, вызывая поток электронов.

Таким образом, молекула хлорофилла окисляется и становится положительно заряженной. Имеются доказательства существования двух типов фотосистем. В фотосистеме I реакционный центр образован специфической молекулой хлорофилла а и обозначается как Р700 (Р означает пигмент, от англ.

pigment; 700 оптимум поглощения, нм). Реакционный центр фотосистемы II тоже образован специфической молекулой хлорофилла а и обозначается Р680 (оптимум поглощения при 680 нм). В целом обе фотосистемы работают синхронно и непрерывно.

Читайте также:  Ретикулогистиоцитома. холодовая крапивница. мраморная кожа.

Однако, как будет показано ниже, фотосистема I может функционировать отдельно.

Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом.

П. Рейвн, Р. Эверт, С. Айкхорн, Современная ботаника В 2-х томах, Том 1, Перевод с английского канд. биол. наук В. Н. Гладковой, проф. М. Ф. Даниловой, д-ра биол. наук И. М. Кислюк, канд. биол. наук Н. С. Мамушиной под редакцией акад. А. Л. Тахтаджяна

AOF | 18.11.2020 16:39:27

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Cтраница 2

Поскольку хлорофиллы легко и полностью экстрагируются мягкими растворителями [81], можно подумать, что они попросту растворены в липидном компоненте мембран.

Однако РІ спектре поглощения хлорофилла РІ листьях присутствуют полосы, сдвинутые РІ красную сторону относительно РёС… положения РІ спектре хлорофилла Р° РІ ацетоне, причем величина СЃРґРІРёРіР° достигает 900 СЃРј-1. Отсюда можно сделать вывод, что молекулы хлорофилла внутри мембран находятся РІ разном кружении. Р’ результате спектр поглощения становится шире, способствуя более эффективному улавливанию света.  [16]

Хлорофиллы поглощают РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј красный Рё СЃРёРЅРµ-фиолетовый свет, зеленый свет РёРјРё отражается, что Рё придает растениям специфическую зеленую окраску, если РѕРЅР° РЅРµ маскируется РґСЂСѓРіРёРјРё пигментами. РќР° СЂРёСЃ. 7.9 приведены спектры поглощения хлорофиллов аяЬъ сравнении СЃ РєР°-ротиноидами.  [18]

Р�змерения величины / / / РІ монохроматическом свете РїСЂРё различных длинах волн Рђ, одинаковой концентрации раствора СЃ Рё толщине слоя / позволяют выразить зависимость коэффициента Рµ РѕС‚ Рђ, РІ РІРёРґРµ спектральных кривых поглощения, характерных для каждого вещества. Р’ качестве примера РЅР° СЂРёСЃ. 21 приведены спектры поглощения хлорофиллов Р° Рё РІ РІ интервале длин волн РѕС‚ 400 РґРѕ 700 РјРјРє, СЏСЃРЅРѕ указывающие РЅР° различия этих веществ.  [19]

Влияние РїСЂРёСЂРѕРґС‹ поверхности РЅР° структуру адсорбционного слоя можно проследить, сравнив спектральные свойства хлорофилла, адсорбированного РЅР° носителях СЃ различными функциональными группами. Так, РІ работе Рќ. Р�. Лободы [13] приведены спектры поглощения хлорофилла Р° Рё Р¬, адсорбированного РЅР° капроне Рљ, РЅР° капроне СЃ монослоем белка ( бычьего сывороточного альбумина) Рљ БСА Рё РЅР°.  [20]

I позволяют определить зависимость коэффициента / с от А, в виде спектральных кривых поглощения, которые имеют характерный вид для каждого вещества. В качестве примера на рис.

78 приведены спектры поглощения хлорофиллов а и Ъ в интервале длин волн от 400 до 700 mji, ясно указывающие на различия этих веществ.

Р’ зависимости РѕС‚ примененных длин волн различают оптические, ультрафиолетовые Рё инфракрасные спектры поглощения.  [21]

Ввиду того, что растения нередко оказываются под воздействием избыточной радиации, им необходимо поглощать главным образом наиболее выгодные и эффективные лучи.

Такими лучами оказываются красные, Рё красный максимум РІ спектре поглощения хлорофилла является прекрасным свидетельством биологической приспособленности хлорофилла Рё зеленых растений Рє условиям среды.  [22]

Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом. Рљ выводу закона Бугера.  [23]

Необходимость количественных характеристик поглощения света вытекает очень наглядно из рис.

170, изображающего спектры поглощения хлорофилла листьев крапивы.

РћР±Р° спектра относятся Рє РѕРґРЅРѕРјСѓ Рё тому же поглощающему свет веществу Рё вместе СЃ тем чрезвычайно различны.  [24]

Энгельман РЅРµ только пришел Рє правильному заключению РѕР± общем параллелизме между спектром действия фотосинтеза Рё спектром поглощения хлорофилла, РѕРЅ также СЏСЃРЅРѕ понимал влияние оптической плотности исследуемого образца РЅР° эти РѕР±Р° спектра.  [25]

Фотохимическая стадия, сводящаяся Рє запасанию световой энергии, трансформируемой РІ химическую, начинается СЃ поглощения света пигментами растений, среди которых важнейшую роль играет хлорофилл. Тимирязев показал, что спектр действия солнечного света РїСЂРё фотосинтезе находится РІ РіСЂСѓР±РѕРј соответствии СЃРѕ спектром поглощения хлорофилла.  [26]

Ki и Винтерштейн [43] нашли, что продукт, полученный из хлор филла после восстановления и окисления, дает положительну фазовую пробу ( см.

ниже) и имеет неизменный элементарнь состав и спектр поглощения хлорофилла.

Однако Альберс, KHOJ Рё Ротемунд [47] нашли, что спектр флуоресценции этого продукта отл: чается РѕС‚ спектра РёСЃС…РѕРґРЅРѕРіРѕ пигмента, Р° Ротемунд [46] нашел разл ] чие Рё для спектра поглощения.  [27]

В этом случае главные максимумы поглощения более интенсивны в сухом неполярном растворителе и длинноволновый перегиб не обнаруживается.

Весьма интересно, что спектр активированного раствора ( определение активированный относится Рє флуоресценции, которая отсутствует РІ чистом бензоле) остается неизменным, независимо РѕС‚ того, чем был активирован раствор — амином или спиртом, хотя спектры поглощения хлорофилла Р° РІ чистом бензиламине Рё чистом бензиловом спирте совершенно различны. Это может означать, что полярные молекулы ассоциируются предпочтительно СЃ определенной таутомерной формой хлорофилла Рё таким путем стабилизируют ее.  [28]

Наоборот, вещества, которые могут поглощать световую энергию, окрашены.

Например, хлорофилл — сложная органическая молекула, ответственная Р·Р° поглощение света РїСЂРё фотосинтезе, имеет СЏСЂРєРѕ-зеленую окраску, что соответствует поглощению света РІ РІРёРґРёРјРѕР№ области. РќР° СЂРёСЃ. 107 представлен спектр поглощения хлорофилла.  [29]

Страницы:      1    2    3

Типы хлорофиллов, их структурные отличия и спектры поглощения

Высшие растения содержат 2 зеленых пигмента: хлорофиллы а и b. Главную роль в фотосинтезе играет хлорофилл а. Хлорофилл является сложным органическим веществом.

Одной из главных трудностей для выявления точного химического состава хлорофилла является его полная нерастворимость в воде и легкая изменчивость под воздействием солей, кислот и щелочей.

Суммарный химический состав молекулы хлорофилла можно выразить следующей формулой: хлорофилл а С55Н72О5N4Mg. хлорофилл b С55Н70О6 N4Mg.

Указанные хлорофиллы отличаются одним атомом кислорода и двумя водорода, а по цвету хлорофилл а – сине-зеленый; b – желто-зеленый. По химической природе хлорофилл а представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, в одном карбоксиле которой водород замещен остатком метанола, а в другом – фитола:

Спектры поглощения и спектры действия. Возбуждение хлорофилла светом.

В основе молекулы лежит порфирин, который состоит из четырех пирольных колец (пронумерованы римскими цифрами), соединенных метиновыми мостиками (–СН=). В центре порфиринового ядра находится атом Mg, связанный с N.

Таким образом, хлорофилл относится к Mg-порфиринам. Порфирины входят также в состав гема крови и являются важным компонентом систем, принимающих участие в дыхании; в этом случае вместо магния они содержат железо.

Кроме пирольных в состав молекулы хлорофилла входит циклопентановое кольцо (V), которое содержит высокоактивную кетогруппу и участвует в окислении воды.

Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что ко второму пирольному кольцу присоединена не метильная, а альдегидная группа. Четыре пирольных кольца и метиновые мостики образуют двойные связи. Между двумя атомами, связанными двойными атомами, находится 4 электрона.

Когда система состоит из двойных связей, то половина этих π-электронов, как отмечалось, может свободно перемещаться вдоль системы.

Молекулу хлорофилла делят на две части: порфириновое ядро и фитольный хвост. Фитольный хвост в два раза длиннее ядра. Порфириновое ядро благодаря наличию атомов кислорода и азота гидрофильно. Фитольный хвост – это углеводородная, а это значит гидрофобная часть молекулы хлорофилла.

Поэтому порфириновое ядро размещается в гидрофильной части мембраны тилакоида, а фитольный хвост в гидрофобной.

Имея разные свойства, две части молекулы хлорофилла выполняют разную функцию: порфириновое ядро содержащее коньюгированные связи, поглощает свет, а фитольный хвост играет роль якоря, который удерживает молекулу хлорофилла в определенной части мембраны тилакоида.Спектры поглощения. Все пигменты поглощают свет избирательно.

Так, если пропустить белый свет через раствор хлорофилла, а затем разложить с помощью призмы, то увидим, что отдельные участки спектра будут сильно поглощаться, и на их месте увидим черные полосы. Другие участки спектра будут проходить через раствор хлорофилла в ослабленном виде.Мы получаем так называемый спектр поглощения хлорофилла.

Какие длины волн будет поглощать пигмент, зависит от количества и расположения двойных связей в его молекуле, от присутствия в ней ароматических колец и атомов металла. В случае хлорофилла наиболее полно поглощаются красные и сине-фиолетовые лучи.

Небольшая разница в строении молекулы хлорофиллов а и b обуславливает некоторую разницу в поглощении ими света. Хлорофилл а более полно поглощает свет с длиною волны 670, 680, 700 и 435 нм, а хлорофилл b – 650 и 480 нм. С наименьшим поглощением проходят через раствор хлорофилла или лист зеленые лучи и часть красных. У хлорофилла b полоса поглощения в красной части спектра смещена в сторону коротковолновых лучей, а в сине-фиолетовой – в сторону длинноволновых.

Изучение спектров поглощения показало, что хлорофилл а в живом листе образует 8–10 форм, которые химически одинаковы, но отличаются по поглощению света. Такой результат обусловлен несколькими причинами. Во-первых, молекулы хлорофилла могут взаимодействовать между собой (агрегированная форма).

Во-вторых, они взаимодействуют с компонентами мембран хлоропластов, в частности с белком. И, в третьих, это связано с динамическим состоянием молекул хлорофилла в тилакоидах. Хлорофилл беспрерывно разрушается под действием света (фотодесктрукция).

На смену разрушенным молекулам в мембраны тилакоидов встраиваются новые.

Спектры в агрофотонике

Производительность всей системы выращивания определяет количественный критерий оценки – например, полезная масса сухого вещества или объем целевого экстракта из листьев/корней. Для качественной оценки можно анализировать  химический состав растений и морфология (отклонение формы и размеров стебля/листьев/плода).

Для большинства культур лучший урожай и качество продукции могут быть получены при обеспечении растениям комфортных условий, где все основные физиологические потребности максимально приближены к естественным уровням.

Таким образом, в большинстве практических задач за эталон для сравнения и оценки результатов искусственного выращивания можно брать растение, выращенное в естественных условиях. Естественные условия для конкретной культуры, как правило, соответствуют климату в регионе его изначального происхождения.

Основы

Рассматривая процесс выращивания растений как замкнутую систему, можно  выделить следующие основные факторы, влияющие на  результат (см. рис. 1):

— солнечный свет, основной источник энергии — содержание диоксид углерода (СО2) в воздухе (углерод — основной элемент, используемый для формирования новых клеток)  — вода, в основном, как источник кислорода, входящего в ее состав, необходимого для реакции фотосинтеза — температура окружающего воздуха.

Рис. 1

Оптимальная температура фотосинтеза для большинства растений средней полосы составляет примерно 20—25°С. Например, для подсолнечника повышение температуры в интервале от 9 до 19°С увеличивает интенсивность фотосинтеза в 2,5 раза. [1]

Так, при фотосинтезе за счет энергии света происходит образование органических веществ (углеводов) при участии хлорофилла.  Хлорофилл (от греч. χλωρός, «зелёный» и φύλλον, «лист») — зелёный пигмент, окрашивающий хлоропласты растений в зелёный цвет [1].

Таким образом, количество света является важным фактором, влияющим на интенсивность роста растений. [2]

Также на протяжении многих лет эволюции этот процесс адаптировался к суточному циклу “день/ночь”. Днем под воздействием света вода разделяется на кислород и водород, а растение запасает энергию и питательные вещества. Ночью, в темноте углекислый газ под воздействием запасенной энергии соединяется с водородом, образуя молекулы углеводов, т.е. происходит собственно рост культуры. 

Читайте также:  Новокаин уколы в ампулах для инъекций в растворе 0,25%, 0,5% и 2%, свечи ректальные 100 мг - инструкция по применению, формы выпуска и отзывы

Таким образом, при искусственном выращивании растений важно обеспечить не только высокую освещенность, но и правильную цикличность включения света, чтобы получить лучший результат.

О спектрах 

Современные светодиодные технологии позволяют форматировать сложные спектры освещения растений. Рассмотрим, каким образом спектр влияет на процесс роста. 

На рис. 2 детально показаны энергетические спектры поглощения базовых пигментов растения.

Рис. 2

Видно, что помимо традиционно упоминаемых пигментов хлорофилла с пиками поглощения в диапазоне 400-500 нм и 650-700 нм, на процессы роста также влияют вспомогательные пигменты из семейства светособирающих фикобилипротеинов.

В некоторых исследованиях спектры поглощения основных пигментов суммируются для формирования “универсального” спектра, форма которого показана на рис. 3.

Рис. 3

Для количественной оценки светового воздействия на растения используется фотосинтетически активная радиация (ФАР). В англоязычной литературе — Photosynthetic Photon Flux (PPF). Поток ФАР/PPF измеряется как число фотонов, излучаемых источником света, которые могут быть поглощены растением при фотосинтезе (диапазон длин волн от 400 до 700 нм).

Величина PPF рассчитывается без учета неравномерного поглощения растением различных энергии различных длин волн. Поэтому в дополнение к PPF иногда используется величина YPF – Yield Photon Flux  — т.н. усваиваемый растением поток фотонов. Для расчета YPF используется взвешенное значение ФАР и спектр эффективности фотосинтеза как весовые коэффициенты. 

Спектр эффективности фотосинтеза показан на рис. 4.

Рис. 4

Кривая весового коэффициента для фотонов (Photon-weighted) позволяет перевести PPFD в YPF; кривая весового коэффициента энергии (energy-weighted) позволяет сделать то же самое для ФАР, выраженной в ваттах или джоулях.

Рассмотрим подробнее, как влияет на растения излучение в различных участках этого диапазона.

Ультрафиолет C (280 —  315 нм)

Облучение растений таким излучением имеет негативные последствия, может приводить к гибели клеток и обесцвечиванию листьев/плодов.

Ультрафиолет B (315-  380 нм)

Это излучение не имеет видимого эффекта на растения.

Ультрафиолет A (380 —  430 нм)

Передозировка ультрафиолетового излучения может быть опасна для листвы, однако малые дозы излучения поглощаются в процессе цветения и созревания плодов и влияют на цвет и биохимический состав (вкус). Как правило, дозы, получаемые растением под воздействием естественного света, достаточны для поддержания этих процессов. 

Синий свет (430-450 нм)

Как показано выше, эта часть спектра хорошо поглощается большинством основных пигментов растения. Эта часть спектра может влиять на морфологию растения: размер и форму куста/листьев, длину стебля.

Ряд исследований показывает лучшую эффективность синего цвета на раннем этапе развития растения (вегетативная фаза).

  Синий свет способствует открытию устьиц, увеличению количества белка, синтезу хлорофилла, делению и функционированию хлоропластов, сдерживанию роста стебля.

Зеленый свет (500-550 нм)

Значительная часть этого диапазона отражается от листьев, однако нельзя недооценивать роль и этого участка спектра на полноценное развитие растений.

Так, например зеленое излучение, отражаясь от верхних листьев растения, обладает лучшей проникающей способностью и способствует более равномерному развитию листьев, на нижних уровнях, находящихся в тени более крупных соседей (рис. 5) [5]. 

Рис. 5

Также, управление уровнем зеленого в спектре облучения позволяет контролировать время наступления и длительность фаз прорастания и цветения.

Оранжевый свет (550-610 нм)

С точки зрения рассмотренных выше спектров поглощения хлорофиллов, этот диапазон имеет незначительный уровень отклик. Однако, успешный опыт применения натриевых ламп, излучение которых в основном лежит в этом диапазоне, подтверждает, что фактически растения способны развиваться даже при не оптимальном спектральном составе освещения.

Красный (610-720 нм)

Наиболее эффективный диапазон, с точки зрения количества фотонов, поглощаемых растением в процессе на всех этапах развития.  Красный свет способствует цветению, прорастанию почек, росту стеблевых листьев, опадению листьев, спячке почек, этиоляции и т.д.

Дальний красный (720-1000 нм)

Несмотря на незначительный отклик в спектрах поглощения основных пигментов, дальний красный диапазон выполняет своего рода “сигнальную” функцию – как и в случае с зеленым цветом, корректировка уровня дальнего красного позволяет повлиять на время наступления и длительность фазы цветения и плодоношения.

Инфракрасный  (1000 нм и выше)

Все излучение в этом диапазоне конвертируется в тепло, дополнительно влияющее на температуру растения. 

Следует помнить, что для естественного солнечного света более 50% энергии излучается именно в  инфракрасном диапазоне. Если растение в искусственных условиях облучается только в диапазоне 400-700 нм, то нужно дополнительно предусмотреть запас мощности в системе отопления для поддержания комфортной температуры.

Потребности растения на разных этапах роста

Как было отмечено выше, свет является не только источником энергии, контролирующим фотосинтез. Различные участки спектра воспринимается растением как сигналы, влияющие на многие аспекты роста и развития (прорастания, деэтиоляция) Изменения в развитии растений, связанные со светом являются результатом фотоморфогенеза.

На схеме на рис.6 показаны основные эффекты, стимулируемые различными цветами на протяжении жизненного цикла растения.

Рис. 6

Рассмотрим более подробно влияние света на различных этапах 

Синтез хлорофилла

Самое большое количество хлорофилла вырабатывается при синем свете, меньшее – при белом и красном, самое меньшее — при зеленом свете и в тени. При разном свете, соотношение хлорофилла A и B также не одинаковое. Самая большая разница в соотношении А и B при желтом и синем свете. Красный свет способствует большой выработке хлорофилла типа A.

Для светолюбивых растений подходит синий свет, для тенелюбивых растений подходит красный свет.

Цветение

Соотношение между длительностью светового периода и периода темноты называется фотопериодом.

Общая протяженность суток – 24 часа, однако в зависимости от разной широты и времени года, протяженность дня и ночи неодинаковая.

В зависимости от разных климатических условий и места произрастания, фотопериод у разных растений неодинаков. Цветение, опадение листьев, спячка почек – всё это является реакцией растения на изменение фотопериода.

Растения, которые готовы начать цвести, зацветут при наступлении подходящего фотопериода. Количество дней до начала цветения определяется возрастом растения. Чем старше растение, тем оно быстрее зацветет.

Под воздействием фотопериода оказываются листья растений. Чувствительность листьев к изменению фотопериода связана с возрастом растения. Чувствительность старых листьев и молодых листьев неодинаковая.

Наиболее чувствительными к изменению фотопериода являются растущие листья.

Накопление питательных веществ и рост растений регулируются  излучением в красном и дальним красном диапазоне.  Размножение определяется, синим светом. Фитохром, содержащийся в листьях, может принимать сигналы красного света и дальнего света. Растение готовое к цветению, зацветет, если последнее излучение будет красным дальним светом.

На рис. 7 показаны спектры поглощения растений при синтезе хлорофилла, фотосинтезе и фотоморфогенезе.

Рис. 7

Светодиоды

Современные мощные светодиоды, применяемые в искусственном освещении растений, позволяют сформировать монохромное излучение фактически в любой части спектра, рассмотренной выше. Примеры спектров светодиодов показаны на рис. 8

Рис. 8

Стоит отметить светодиоды с длиной волны 450 нм (“глубокий синий”) и 660 нм (“дальний красный”), как составляющие, совпадающие с пиками поглощения хлорофиллов.

Как было отмечено выше, наличие светодиодов пиком излучения в других частях спектра, позволяет дополнительно стимулировать другие участки спектра поглощения. Белые люминофорные светодиоды (серая кривая на рис.

8) имеют в составе своего спектра относительно широкую область излучения люминофора, а также синий пик непоглощенного люминофором излучения синего кристалла.

Комбинация светодиодов различных цветов в одном светильнике с возможностью независимого управления позволяет сформировать фактически любой спектр для конкретной культуры и фазы ее развития.  Примеры спектров, используемых в различных сценариях освещения растений,показаны на рис. 9

Рис. 9

Отдельно стоит рассмотреть спектр облучения, получаемый растением, когда на него воздействует одновременно естественное излучение и излучение системы светодиодной досветки. Предположим. что в светильнике для досветки используются синие и красные светодиоды в соотношении примерно 1:2 (по уровню энергии), для стимуляции хлорофиллов на стадии вегетативного роста. 

Пример такого спектра показан на рис. 10

Рис. 10

В реальности же на листья растений будет также воздействовать спектр солнечной радиации, и суммарный спектр облучения будет выглядеть следующим образом (рис. 11).

Рис. 11

Видно, что в этом случае растение монохромная досветка в сочетании с широкополосным естественны излучением дает спектр, стимулирующий все основные зоны поглощения растений. Результирующий спектр по форме близок к суммарному спектру поглощения всех основных пигментов растения, рассмотренному выше.

Заключение

Подводя итоги данного обзора можно отметить следующее:

Спектральный состав света является важным фактором для продуктивного выращивания культур в искусственных условия, однако, не первичным.

Получить прирост урожая за счет оптимизации спектра можно при обеспечении растению достаточного уровня базовых потребностей (температура, вода, CO2, вентиляция).

Количество света также является более приоритетным параметром по сравнению с его спектральным составом.

Современные светодиоды позволяют эффективно сформировать излучение в спектральном диапазоне поглощения растений. Причем возможно применение т.н. монохромных светодиодов с различными цветами (длиной волны излучения) и традиционных белых “люминофорных” светодиодов, обеспечивающих равномерное широкополосное излучение.

Наличие в светильнике светодиодов с различными цветами и технологии независимого управления ими позволяет исследовать влияние спектра на эффективность выращивание отдельно взятой культуры в конкретных условиях и выработать оптимальный баланс цветов для лучшей урожайности.

Список литературы

Физиология растений. Н.И. Якушкина. Издательство: «Владос». Год: 2004

Исследования над образованием хлорофилла у растений. Монтеверде Н. А., Любименко В. Н. Известия Императорской Академии наук. VII серия. — СПБ., 1913. — Т. VII, № 17. — С. 1007–1028.

Создание эффективных светодиодных фитосветильников. Cакен Юсупов, Михаил Червинский, Екатерина Ильина, Владимир Смолянский. Полупроводниковая светотехника N6’2013

Contributions of green light to plant growth and development. Wang, Y. & Folta, K. M.  Am. J. Bot. 100, 70-78 (2013).

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector