Виділення суміші пігментів листка. Дослідження фізико-хімічних властивостей пігментів

Пігменти – сполуки, які вибірково поглинають світло у видимій частині спектра. У вищих рослин вони поділяються на три класи: хлорофіли, каротиноїди та фікобіліни. За допомогою пластидних пігментів здійснюється перетворення енергії сонячного світла в хімічну енергію молекул АТФ і НАДФ*Н у світловій фазі фотосинтезу. Більшість клітин фотосинтезуючих організмів містить два типи хлорофілів – хлорофіл а та хлорофіл b (зелені рослини), окрім цього трапляється хлорофіл с (бурі та діатомові водорості), хлорофіл d (червоні водорості). Фотосинтезуючі клітини, які не виділяють кисню, містять лише бактеріохлорофіл або бактеріородопсин; іноді – і той, і інший. Допоміжними пігментами фотосинтезу є каротиноїди (жовті, оранжеві та червоні) – поліненасичені вуглеводи терпенового ряду. До каротиноїдів належать каротини, ксантофіли і каротиноїдні кислоти. Фікобіліни – червоні і сині пігменти деяких водоростей, локалізовані у спеціальних структурах – фікобілісомах. Їхня складна молекула утворена білком і розгорнутим ланцюгом тетрапірола (хромофора). Одна молекула білка може зв’язувати кілька хромофорних груп. Серед фікобілінів розрізняють сині – фікоціаніни, червоні – фікоеритрини та аллофікоціанін.

Для вивчення фізико-хімічних властивостей пігментів здійснюють їх виділення із рослинного матеріалу та розділення. Водночас, враховують, що хлорофіл і каротиноїди не розчиняються у воді, а фікобіліни – розчиняються. Для повнішого виділення пластидних пігментів користуються полярними розчинниками – етиловим спиртом, ацетоном, оскільки ці пігменти зв’язані з ліпопротеїдним комплексом мембран тилакоїдів.

Різна розчинність хлорофілів, каротину та ксантофілів у етиловому спирті та петролейному ефірі є основою методу розділення цих пігментів за Краусом. При перемішуванні спиртового витягу пігментів із петролейним ефіром вони розподіляються між двома шарами розчинників: спиртом, який розміщується внизу, і петролейним ефіром чи бензином, який знаходиться зверху. Отримують дві фази – верхню – неполярну, в якій знаходитимуться хлорофіли і каротин, та нижню – полярну, в якій містяться ксантофіли.

Наявність у молекулі хлорофілу ефірних зв’язків визначає її здатність до гідролізу. При взаємодії з лугом відбувається утворення солі хлорофілінової кислоти та двох спиртів – фітолу та метанолу:

Хлорофіл має здатність до флуоресценції, тобто до світіння після поглинання ним видимого й ультрафіолетового світла. В темряві хлорофіл знаходиться в основному стані з найбільш низьким енергетичним рівнем валентних електронів. Під впливом світла один із електронів молекули хлорофілу переходить у збуджений стан, у якому перебуває протягом короткого проміжку часу, і знову повертається на попередній енергетичний рівень. Цей перехід електрона супроводжується витратою енергії збудження, в т. ч. і на флуоресценцію. Хлорофіл флуоресціює тільки в червоній області спектра, тобто флуоресцентне випромінювання характеризується більшою довжиною хвилі, ніж поглинуте світло-індуктор. Це зумовлено частковим розсіюванням енергії у формі тепла. Хлорофіл сильно флуоресціює в розчинах і слабо в листках, що можна пояснити тісною упаковкою молекул у тилакоїдах, а також використанням поглинутої енергії на фотохімічні процеси.

Сонячна радіація з довжиною хвиль 400-700 нм, яку поглинають пігменти фотосинтезуючих органів рослин, має назву фотосинтетично активної радіації (ФАР). Пігменти поглинають видиме світло вибірково, кожен з них має свій характерний спектр поглинання. Пропускаючи світло через розчин конкретного пігменту, а потім розкладаючи його за допомогою призми спектроскопа виявляють у певних місцях спектра темні смуги, що відповідають спектру поглинання. Оптичні властивості пігментів визначаються особливостями їх хімічної структури. Система кон’югованих подвійних зв’язків у молекулах хлорофілів і каротиноїдів визначає поглинання синьо-фіолетових променів. Наявність магнію в ядрі молекули хлорофілу і гідровані зв’язки між атомами вуглецю в положенні 7 і 8 четвертого пірольного кільця визначають поглинання червоних променів. Хлорофіли мають два максимуми поглинання – в ділянці синього світла (Хл а – 420 нм та Хл b – 455 нм) і червоного (Хл а – 662 нм, Хл b – 644 нм) світла. Каротиноїди поглинають світло в синьо-фіолетовій ділянці спектра (α-каротин – 420 нм, 440 нм, 470 нм; β-каротин – 425 нм, 450 і 480 нм; лютеїн – 425нм, 445 і 475 нм).

У молекулах хлорофілів, які є магній-порфіринами, атом магнію порівняно слабко утримується в порфіриновому ядрі й у разі впливу сильних кислот легко заміщується двома протонами. Утворюється феофітин-порфіриновий пігмент бурого кольору.

Утворення феофітину можна спостерігати в природних умовах: після осіннього приморозку змінюють колір листки та квіти жоржин.

Унаслідок взаємодії феофітину з солями певних металів (оцтовокислий цинк чи мідь) два атоми водню можуть зворотно заміщуватися атомом відповідного металу:

Цинк (мідь)-порфірини, як і магній-порфірини, теж мають зелений колір, проте дещо іншого відтінку.

Мета роботи: ознайомитися з фізико-хімічними властивостями хлорофілів та каротиноїдів.

Прилади і матеріали дослідження: спектроскоп; водяна баня; ножиці; фарфорова ступка з товкачиком; лійка; фільтр; сухі пробірки; штатив; гумові корки; CaCO₃; 96%-ний етиловий спирт; петролейний ефір; сухий NaOH; 10%-ний розчин HCl; оцтовокисла мідь та цинк; зелене листя рослин.

Поиск по сайту: