Растительные пигменты

Содержание.

Введение.

Неповторим и загадочен мир растений. Как часто он задаёт нам вопросы, на которые, казалось бы, невозможно найти ответ. Но стоит внимательнее присмотреться, задуматься, проявить любознательность и трудолюбие – и тайна зелёного друга перестанет быть тайной. Жизнь растения раскроется во всей сложности, гармонии, красоте.

        Кто не восхищался красками цветущего луга, лесной опушки, осенней листвы, даров сада и полей? Но далеко не всем известно, откуда у природы такая богатая палитра цветов. Всей этой красотой  обязаны мы специальным красящим веществам – пигментам, которых в растительном мире известно около 2 тысяч.

        Цвет вещества, в том числе и пигмента, определяется его способностью к поглощению света. Если свет, падающий на вещество или орган растения, равномерно отражается, они выглядят белыми. Если же все лучи поглощаются, объект воспринимается как чёрный.  Если вещество поглощает только отдельные участки видимой части солнечного спектра, оно приобретает определённую окраску.

     В растительных клетках чаще всего встречаются зелёные пигменты -  хлорофиллы, жёлто – оранжевые каротиноиды, красные и синие антоцианы, жёлтые флавоны и флавонолы.

Цель моей работы – познакомиться с многообразием  растительных пигментов, их значением в жизни растений и человека.

Задачи работы:

1. Изучить научную литературу по данной теме
2. Определить основные физические характеристики растительных пигментов (состав, структуру, свойства)
3. Изучить значение природных красителей для растений и человека.
4.  Сделать выводы

Методы исследования:

1. Изучение теоретического материала для дальнейшей разработки и изучения данной проблематики
2. Эксперимент
3. Наблюдения за ростом и развитием растений
4. Фотоотчёт
5. Обработка полученных результатов

Тип проекта: исследовательский, долгосрочный, межпредметный, индивидуальный.

Формы представления результатов проекта: доклад по теме исследования, компьютерная презентация.

I. Растительные пигменты.

Пигменты - красящие вещества, придающие цвет растениям. Растительные пигменты – это крупные органические молекулы, имеющие группировки, ответственные за поглощение света. Для этих группировок характерно наличие цепочки чередующихся простых и двойных связей (-С=С-С=С- ). Кроме того, поглощение света усиливается при наличии в молекуле кольцевых структур.

Пигменты находятся чаще в тех или иных структурных образованиях клетки, реже — в жидкостях организма в растворённом состоянии. Так, хлорофилл сосредоточен в хлоропластах, каротиноиды — в хромо - и хлоропластах, гемоглобин — в эритроцитах, флавоноиды — в клеточном соке растений. Пигменты, связанные с белками и липидами, входят в структуру биологических мембран. У многих видов животных и растений существуют специализированные пигментные клетки или хроматофоры.

Схема 1. Растительные пигменты.

1). Пластиды.

Пластиды^[1] характерны только для растений. Они не найдены у грибов и у большинства животных, исключая некоторых фотосинтезирующих простейших.

Предшественниками пластид являются пропластиды, мелкие обычно бесцветные образования, находящиеся в делящихся клетках корней и побегов. Если развитие пропластид в более дифференцированные структуры задерживается из-за отсутствия света, в них может появиться одно или несколько проламеллярных телец (скопления трубчатых мембран). Такие бесцветные пластиды называются этиопластами. Этиопласты превращаются в хлоропласты на свету, а из мембран проламеллярных телец формируются  тилакоиды. В зависимости от окраски, связанной с наличием или отсутствием тех или иных пигментов, различают три основных типа пластид: хлоропласты (зелёного цвета), хромопласты (жёлтого, оранжевого или красного цвета) и лейкопласты (бесцветные). Обычно в клетке встречаются пластиды только одного типа. Однако установлено, что одни типы пластид могут переходить в другие.

Пластиды – относительно крупные образования клетки. Самые большие из них – хлоропласты – достигают у высших растений 4-10 мкм длины и хорошо различимы в световой микроскоп. Форма окрашенных пластид чаще всего линзовидная или эллиптическая. В клетках встречаются, как правило, несколько десятков пластид, но у водорослей, где пластиды нередко крупны и разнообразны по форме, число их иногда невелико (1-5). Такие пластиды называются хроматофорами. Лейкопласты и хромопласты могут иметь различную форму.

а). Хлоропласты.

Хлоропласты встречаются во всех зелёных органах растений. Строение пластид может быть рассмотрено на примере хлоропластов (рис. 3). Они имеют оболочку, образованную двумя мембранами: наружной и внутренней. Внутренняя мембрана вдаётся в полость хлоропласта немногочисленными выростами. Мембранная оболочка отграничивает от гиалоплазмы клетки матрикс хлоропласта, так называемую строму. Как строма, так и выросты внутренней мембраны формируют в полости хлоропласта сложную систему мембранных поверхностей, ограничивающих особые плоские мешки, называемые тилакоидами или ламеллами. Группы дисковидных тилакоидов связаны друг с другом таким образом, что их полости оказываются непрерывными. Эти тилакоиды образуют стопки (наподобие стопки монет), или граны. В строме хлоропластов содержатся ферменты и рибосомы, отличающиеся от рибосом цитоплазмы меньшими размерами. Часто имеются один или несколько небольших зёрен первичного крахмала. Генетический аппарат хлоропластов автономен, они содержат собственную ДНК.

Основная функция хлоропластов – фотосинтез. Центральная роль в этом процессе принадлежит хлорофиллу, точнее – нескольким его модификациям. Световые реакции фотосинтеза осуществляются в гранах, темновые – в строме хлоропласта.

Хлоропласты способны синтезировать собственные белковые молекулы, так как обладают собственной ДНК.

 Рис.3  Схема строения хлоропласта в объёмном изображении (А) и на срезе (Б):

1 – наружная мембрана, 2 – внутренняя мембрана, 3 – строма,

4 – грана, 5 – тилакоид граны, 6 – тилакоид стромы, 7 – нить

пластидной ДНК, 8 – рибосомы хлоропласта (отличающиеся от

цитоплазматических рибосом), 9 – гранулы крахмала        

Помимо фотосинтеза, в хлоропластах осуществляется синтез АТФ и АДФ (фосфорилирование), синтез и гидролиз липидов, крахмала и  белков, откладывающихся в строме.

б). Хромопласты.

Хромопласты содержаться в клетках лепестков многих растений, зрелых окрашенных плодах (томаты, шиповник, рябина), иногда – в корнеплодах (морковь). Внутренняя структура хромопластов проще структуры хлоропластов. Граны в них отсутствуют. Красноватая или оранжевая окраска хромопластов связана с присутствием в них каротиноидов. Считается, что хромопласты – конечный этап в развитии пластид, т.е. это стареющие  хлоропласты и лейкопласты. Наличие хромопластов частично определяет яркую окраску многих цветков, плодов и осенних листьев.

в). Лейкопласты.

Внутренняя структура лейкопластов проще структуры хлоропластов, в них отсутствуют граны. В лейкопластах пигменты отсутствуют, но здесь может осуществляться синтез и накопление запасных питательных веществ, в первую очередь крахмала, иногда белков и жиров. Очень часто в лейкопластах формируются зёрна вторичного запасного крахмала.

2). Пигменты пластид.

Пигменты, локализующиеся в пластидах и участвующие в процессах фотосинтеза, принадлежат к трём классам. Это хлорофиллы, каротиноиды и фикобилинпротеи. Все они входят в состав пигментных систем в виде хромопротеидов, т.е. пигмент – белковых комплексов. Основное назначение пигментов – поглощать световую энергию (рис. 5), превращая её затем в химическую энергию. Пигменты располагаются на мембранах хлоропластов (тилакоидах), а хлоропласты в клетке обычно ориентируются таким образом, чтобы мембраны находились под прямым углом к источнику света (для максимального поглощения света).

а). Хлорофиллы.

Хлорофиллы поглощают в основном красный и сине-фиолетовый свет, зелёный свет ими отражается, что и придаёт растениям специфическую зелёную окраску, если она не маскируется другими пигментами. В основе строения хлорофиллов лежит Mg – порфириновый скелет.

В состав молекулы хлорофилла (рис. 8) входит плоская голова, поглощающая свет, в центре которой расположен атом магния. Этим можно объяснить, почему дефицит магния приводит к уменьшению образования хлорофилла и пожелтению листьев растения. Молекула хлорофилла включает в себя ещё и длинный гидрофобный (отталкивающий воду) углеводородный хвост. Внутренние мембраны также гидрофобны, поэтому хвосты «забрасываются» внутрь тилакоидных мембран и служат своеобразным якорем. Гидрофильные головы располагаются в плоскости мембранных поверхностей подобно солнечным батареям. У различных хлорофиллов к головам прикреплены различные боковые цепи, что приводит к изменению их спектров поглощения, увеличивая диапазон длин волн поглощаемого света.

  Кроме того, имеются различные заместители, например дитерпеновый спирт фитол, придающие молекуле хлорофилла способность встраиваться в липидный слой биологических мембран.

б). Каротиноиды.

Каротиноиды^[2] – жёлтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, синтезируемые растениями (а также бактериями и грибами), не растворимы в воде, сильно поглощающие в сине-фиолетовой области. Каротиноиды отчасти выполняют роль дополнительных фотосинтезирующих пигментов, но при этом могут осуществлять  и другие функции, с фотосинтезом не связанные. Они называются вспомогательными пигментами, потому что поглощённую ими световую энергию они переносят на хлорофилл. В спектре поглощения каротиноидов обнаруживается три пика в сине-фиолетовой области. Помимо своей функции как вспомогательных пигментов каротиноиды защищают хлорофиллы от избытка света и от окисления кислородом, образующимся в процессе фотосинтеза. Они хорошо замаскированы зелёными хлорофиллами, но становятся видны в листьях до начала листопада, поскольку хлорофиллы разрушаются первыми. Каротиноиды обнаружены в некоторых цветках и фруктах, у которых яркая окраска привлекает насекомых, птиц и млекопитающих, тем самым обеспечивая успешное опыление и распространение семян; к примеру, красный цвет кожицы у томатов обусловлен наличием в ней каротинов.  К каротиноидам относятся широко распространённые каротины и ксантофиллы. По химической природе это изопреноидные углеводороды, содержащие 40 углеродных атомов (рис.9). Ксантофиллы – окисленные каротины. Особенно богаты каротинами зелёные листья некоторых растений (например, шпината), корнеплоды моркови, плоды шиповника, смородины, томата и др. У растений каротиноиды представлены главным образом физиологически наиболее активным b – каротином. Каротины наряду с ксантофиллами нередко обуславливают  окраску тех или иных организмов. Например, окраска пурпурных бактерий объясняется наличием ксантофиллов.

Каротиноиды, подобно хлорофиллам, очень слабо связаны с белками, они легко извлекаются из растений и используются в качестве лекарственных средств и красителей.

в). Фикобилипротеиды.

Фикобилинпротеиды характерны для хлоропластов, цианобактерий, багрянок и криптофитовых водорослей. Они, как и каротиноиды, участвуют в фотосинтезе, доставляя поглощённую энергию света к молекулам хлорофилла. Фикобилины – стойкие пигмент-белковые комплексы, хорошо растворимые в воде. В их основе лежат хромофорные группы, близкие к

желчным пигментам. Известны два типа фикобилинпротеидов: синие фикоцианины и красные фикоэритрины (рис.10).

II. Использование растительных пигментов человеком.

Краски вообще щедро распределены в природе, как в животном, так и в растительном царстве. Краски в растениях находятся или в готовом состоянии, или в виде промежуточных бесцветных веществ, так называемых "хромогенов", только под влиянием тех или других факторов превращающихся в краски. Только в очень редких случаях краска в растении распределена совершенно равномерно во всех его частях; большей частью пигмент сосредоточивается или в той, или в другой его части. В дело идут иногда: корни (марена, альканна, куркума и др.), древесина (так наз. "деревянные краски": кампеш, фернамбук, сандал, желтое, физетовое дерево и др.), кора (кверцитрон, ло-као, каштан и др.), листья (сумах, датис, некоторые виды пальм и др.), цветки (сафлор, шафран и др.), плоды (грушка, орлеан, бабла и др.), растительный сок (индиго, кашу, алоэ), целые растения (вайда, вау), лишаи (орсейль, лакмус, кудбир), смолы (драконова кровь, лак-дэй и др.).

Весьма замечательно, что в природе синих пигментов, а также и желтых встречается очень много и весьма разнообразного состава, красных — значительно меньше. Хороших зеленых красок немного; распространенный в природе хлорофилл употребляется лишь в сравнительно ограниченных количествах для подкраски жирных масел. С распространением искусственных пигментов естественные растительные краски употребляются все в меньших количествах. Чрезвычайно редко растительные краски употребляются в дело непосредственно в виде измельченного сырья; большей же частью это сырье подвергается той или другой обработке и уже только затем употребляется для окрашивания.

Естественные растительные краски:

Ликопин - красный каротиноид, содержащийся в томатах и арбузах, предупреждает рак кожи, защищает от солнечных ожогов.

Длительное исследование более ста тысяч мужчин и женщин в США показало, что риск хронических болезней, особенно сердечно-сосудистых, значительно снижен у тех, кто ест больше "цветных" овощей и фруктов. Особенно эффективны оказались зеленые листовые овощи - салаты и шпинат. В подобном финском исследовании людей среднего возраста как самые полезные для сердца выделены ягоды. В Австралии три десятка мужчин на протяжении полутора месяцев получали утром экстракт пигментов из фруктов, а вечером - из овощей. Состояние сердца и сосудов у участников опыта значительно улучшилось по сравнению с мужчинами, которые питались точно так же, но не получали экстрактов.

Джон Фолтс из Висконсинского университета (США) обнаружил, что экстракты флавоноидов из темной кожицы и косточек красных и черных сортов винограда понижают у собак и людей слипаемость тромбоцитов, уменьшая сворачиваемость крови и тем самым риск появления тромбов. Наиболее эффективны оба экстракта вместе. Сейчас группа Фолтса изучает возможность выпуска таких экстрактов в таблетках как биоактивной добавки для тех, кто не хочет или не может пить красное вино.

Еще более эффективен в этом отношении сок граната. Как показали исследования, проведенные в Медицинском центре Хайфы (Израиль), ежедневный прием 50 миллилитров сока граната на протяжении от года до трех лет позволяет снизить кровяное давление у пациентов с сужением каротидных артерий на 20 процентов.

Пока не ясно почему, но флавоноиды могут противостоять также ожирению и диабету. По некоторым данным, они подавляют гены, ответственные за развитие болезней, и облегчают обмен жизненно важными сигналами между клетками.

Растительные пигменты могут подавлять воспаление. Несколько лет назад обнаружено, что по противовоспалительному действию шесть темно-красных вишен равны одной таблетке аспирина. И, разумеется, вишни не имеют побочных действий, свойственных аспирину, иногда весьма опасных.

 Большинство исследователей флавоноидов согласны с тем, что эти вещества лучше получать из натуральных продуктов, а не в виде концентрированных экстрактов и биодобавок. Более того, мощные дозы флавоноидов, принимаемые по принципу "хорошего много не бывает", как показали некоторые исследования, могут вредить. Так, излишек бета-каротина может способствовать развитию рака кожи под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. Кроме того, нередко бывают важны и другие вещества, сопровождающие растительные пигменты в натуральных овощах и фруктах.

Не каждый может себе позволить весь год есть ягоды или пить гранатовый сок. Поэтому многие селекционеры мира в последние годы работают над выведением самых обычных сельскохозяйственных культур с повышенным содержанием флавоноидов. Самый известный пример - полученный с помощью генной инженерии немецкими и швейцарскими генетиками золотой рис, обогащенный каротином (населению развивающихся стран, питающемуся в основном рисом, часто не хватает витамина А). В Корнельском университете (США) работают над пшеницей, обогащенной каротином. В лабораториях Министерства сельского хозяйства США выведены огурцы с каротином, имеющие желто-оранжевый цвет. Там же получен сорт моркови, в котором на 75 процентов больше каротина, чем в известных сортах. В Висконсине (США) получен сорт свеклы с повышенным содержанием красного пигмента. В разных странах выведены разноцветные сорта картофеля, обладающие целебными свойствами.

 Привычная нам оранжевая морковь - плод (точнее, корнеплод) освободительной "оранжевой" революции,

прошедшей в 1566-1609 годах на территории современных Нидерландов. Местные овощеводы, движимые  патриотическими чувствами, подобрали семена от мутантных экземпляров и вывели морковь геральдического цвета Оранской династии. Современные селекционеры получили сорта от белых до почти черных (рис.11).

Основываясь на диких разновидностях картофеля из Анд, американские селекционеры вывели цветные сорта, более вкусные и полезные, чем обычный белый, желтоватый или розоватый на срезе картофель (рис.12). В Германии выведен сорт картофеля, содержащий в 130 раз больше каротина, чем обычные сорта, и спорящий по этому показателю с морковью.

III. Практическая работа.

1.Получение хлорофилльной вытяжки.

Основное оборудование: спиртовка, спички, штатив, держатель для пробирок, пробирки, спирт, растение (листок аспидистра).

Примечание: растение, за несколько дней до проведения опыта, следует поместить в условия интенсивного освещения.

Ход работы:

1. Поместить в пробирку свёрнутый в трубочку лист зелёного растения.
2. Налить в пробирку спирт (примерно на1/2-1/3 пробирки).
3. Закрепить пробирку в держателе.
4. Медленно нагревать над огнём спиртовки, не доводя спирт до кипения и соблюдая все правила техники безопасности.
5. Поставить пробирку в штатив.
6. Через 1-2 минуты вынуть из неё лист.
7. Рассмотреть лист и содержимое пробирки.
8. Записать результаты.

1. Нагреваю листок со спиртом в пробирке, получаем хлорофилловую вытяжку.

2.В результате нагревания лист потерял зелёную окраску.

3.Спирт окрасился в  ярко-зелёный цвет, т.к. из листка выделился хлорофилл

Вывод: При кипении хлорофилл выделяется в спирт, спирт окрашивается в зелёный цвет, лист теряет свою окраску.

2.Исчезновение зелёной окраски хлорофилльной вытяжки.

Дополнительное оборудование: растворы соляной кислоты (HCl) и щёлочи (NAOH).

Ход работы:

Прилить раствор HCI  к хлорофилльной вытяжке, смешать палочкой.

 Прилит раствор HCl  к хлорофилльной вытяжке. Содержимое пробирки окрасилось в бурый цвет, т.е. образовался феофитин.

Вывод:

 Так как зелёный  цвет хлорофилла определяется наличием в нём Mg ,то Cl соединяется с Mg и образуется соль. Такого рода реакции могут происходить в природе. Например, при попадании кислотных дождей на зелёные растения, у растений нарушается процесс фотосинтеза, пропадает зелёная окраска, которая восстановлению не подлежит.

3.Опыт «Лакмусовые бумажки из сока красного салата»

Для этого мы взяли красный салат, который растёт у нас на пришкольном участке. Сок из него при смешивании с различными веществами изменяет свой цвет от красного (в сильной кислоте), к розовому, фиолетовому (это его естественный цвет в нейтральной среде), синему, и, наконец, зеленому (в сильной щелочи).

Из сока красного салата можно сделать лакмусовые бумажки. Для этого вам понадобится фильтровальная бумага. Ее надо пропитать капустным соком и дать ей высохнуть. После этого разрезать на тонкие полоски. Лакмусовые бумажки готовы.

Ниже приводятся значения PH для некоторых жидкостей:

1. Желудочный сок - 1.0-2.0 ph
2. Лимонный сок - 2.0 ph
3. Пищевой уксус - 2.4 ph
4. Кока-кола - 3.0 ph
5. Яблочный сок - 3.0 ph
6. Пиво - 4.5 ph

7. Кофе - 5.0 ph
8. Шампунь - 5.5 ph
9. Чай - 5.5 ph
10. Слюна - 6.35-6.85 ph
11. Молоко - 6.6-6.9 ph
12. Чистая вода - 7.0 ph
13. Кровь - 7.36-7.44 ph
14. Морская вода - 8.0 ph
15. Раствор пищевой соды - 8.5 ph
16. Мыло (жировое) для рук - 9.0-10.00 ph
17. Нашатырнай спирт - 11.5 ph
18. Отбеливатель (хлорная известь) - 12.5 ph
19. Каустическая сода или натриевая щелочь > 13 ph

4. Вывод.

Цветовое многообразие растительного мира обязано пигментам. Пигменты - красящие вещества, придающие цвет растениям. Растительные пигменты – это крупные органические молекулы, имеющие группировки, ответственные за поглощение света.  В растительных клетках содержатся растительные пигменты, такие как хлорофилл (a,b,c,d), каротиноиды, к которым относятся каротины и ксантофиллы, фикобилинпротеиды. Пигменты находятся чаще в тех или иных структурных образованиях клетки, реже — в жидкостях организма в растворённом состоянии. Так, хлорофилл сосредоточен в хлоропластах, каротиноиды — в хромо - и хлоропластах, гемоглобин — в эритроцитах, флавоноиды — в клеточном соке растений.

Пластиды – относительно крупные образования клетки. различают три основных типа пластид: хлоропласты (зелёного цвета), хромопласты (жёлтого, оранжевого или красного цвета) и лейкопласты (бесцветные). Обычно в клетке встречаются пластиды только одного типа. Хлоропласты встречаются во всех зелёных органах растений. Основная функция хлоропластов – фотосинтез. Хромопласты содержаться в клетках лепестков многих растений, зрелых окрашенных плодах (томаты, шиповник, рябина), иногда – в корнеплодах (морковь). Красноватая или оранжевая окраска хромопластов связана с присутствием в них каротиноидов. В лейкопластах пигменты отсутствуют, но здесь может осуществляться синтез и накопление запасных питательных веществ.

Пигменты, локализующиеся в пластидах и участвующие в процессах фотосинтеза, принадлежат к трём классам. Это хлорофиллы, каротиноиды и фикобилинпротеиды. Основное назначение пигментов – поглощать световую энергию, превращая её затем в химическую энергию. Хлорофиллы поглощают в основном красный и сине-фиолетовый свет, зелёный свет ими отражается, что и придаёт растениям специфическую зелёную окраску. Каротиноиды – жёлтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, синтезируемые растениями (а также бактериями и грибами), сильно поглощающие в сине-фиолетовой области. Они называются вспомогательными пигментами, потому что поглощённую ими световую энергию они переносят на хлорофилл. Каротиноиды используются в качестве лекарственных средств и красителей. Фикобилинпротеиды, как и каротиноиды, участвуют в фотосинтезе, доставляя поглощённую энергию света к молекулам хлорофилла. Известны два типа фикобилинпротеидов: синие фикоцианины и красные фикоэритрины.

Пигменты широко применяются в деятельности человека.

5. Литература.

1. Артамонов В.И. «Занимательная физиология растений»  Москва, Агропромиздат,  1997 г.
2. Желнин Ю.Ю., Лихопуд Э.В. «Пигменты листа. Их свойства и значение.», Ж. «Биология в школе», № 4, с. 42-43, 2006 г.
3. Тейлор Д., Стаут У., Грин Н. «Биология», Мир, Москва, 2008 г.
4. Интернет- ресурс