Teadlased teavad, mis on taimsed pigmendid – roheline ja lilla, kollane ja punane. Taimseid pigmente nimetatakse orgaanilisteks molekulideks, mida leidub taimeorganismi kudedes, rakkudes - tänu sellistele lisadele omandavad nad värvi. Looduses leidub teistest sagedamini klorofülli, mida leidub iga kõrgema taime kehas. Oranži, punakat tooni, kollakaid toone annavad karotenoidid.
Ja veel üksikasju?
Taimseid pigmente leidub kromo-, kloroplastides. Kokku teab kaasaegne teadus mitusada tüüpi seda tüüpi ühendeid. Fotosünteesiks on vaja muljetavaldavat protsenti kõigist avastatud molekulidest. Nagu testid on näidanud, on pigmendid retinooli allikad. Roosad ja punased toonid, pruunide ja sinakate värvide variatsioonid pakuvad antotsüaniinide olemasolu. Selliseid pigmente täheldatakse taimeraku mahlas. Kui külmal aastaajal päevad lühenevad,pigmendid reageerivad teiste taime kehas leiduvate ühenditega, põhjustades varem roheliste osade värvuse muutumist. Puude lehestik muutub säravaks ja värviliseks – sama sügis, millega oleme harjunud.
Kõige kuulsam
Võib-olla teab peaaegu iga keskkooliõpilane klorofülli, fotosünteesiks vajalikku taimset pigmenti. Tänu sellele ühendile suudab taimemaailma esindaja neelata päikesevalgust. Kuid meie planeedil ei saa ilma klorofüllita eksisteerida mitte ainult taimed. Nagu edasised uuringud on näidanud, on see ühend inimkonnale absoluutselt asendamatu, kuna pakub loomulikku kaitset vähiprotsesside eest. On tõestatud, et pigment pärsib kantserogeene ja tagab DNA kaitse toksiliste ühendite mõjul tekkivate mutatsioonide eest.
Klorofüll on taimede roheline pigment, mis esindab keemiliselt molekuli. See on lokaliseeritud kloroplastides. Just tänu sellisele molekulile on need alad roheliseks värvitud. Oma struktuuris on molekul porfüriini tsükkel. Selle spetsiifilisuse tõttu meenutab pigment heemi, mis on hemoglobiini struktuurielement. Peamine erinevus seisneb keskaatomis: heemis võtab oma koha raud, klorofülli jaoks on magneesium kõige olulisem. Teadlased avastasid selle fakti esmakordselt 1930. aastal. Sündmus leidis aset 15 aastat pärast seda, kui Willstatter aine avastas.
Keemia ja bioloogia
Esiteks leidsid teadlased, et taimedes leiduvat rohelist pigmenti on kahte tüüpi, millest kahele anti nimedladina tähestiku esimesed tähed. Erinevus sortide vahel, kuigi väike, on siiski säilinud ja see on kõige märgatavam kõrvalahelate analüüsimisel. Esimese sordi puhul mängib oma rolli CH3, teise tüübi puhul - CHO. Mõlemad klorofülli vormid kuuluvad aktiivsete fotoretseptorite klassi. Tänu neile suudab taim absorbeerida päikesekiirguse energiakomponenti. Seejärel tuvastati veel kolm klorofülli tüüpi.
Teaduses nimetatakse taimede rohelist pigmenti klorofülliks. Uurides selle molekuli kahe peamise sordi erinevusi, mis on omane kõrgemale taimestikule, leiti, et lainepikkused, mida pigment neelab, on tüüpide A ja B puhul mõnevõrra erinevad. Teadlaste sõnul täiendavad sordid tõhus alt kumbagi. muud, andes seeläbi taimele võimaluse neelata vajalik kogus energiat. Tavaliselt täheldatakse esimest tüüpi klorofülli tavaliselt kolm korda suuremas kontsentratsioonis kui teist. Koos moodustavad nad rohelise taime pigmendi. Kolm teist tüüpi leidub ainult iidsetes taimestikuvormides.
Molekulide omadused
Taimsete pigmentide struktuuri uurides selgus, et mõlemad klorofüllitüübid on rasvlahustuvad molekulid. Laborites loodud sünteetilised sordid lahustuvad vees, kuid nende imendumine organismis on võimalik vaid rasvühendite olemasolul. Taimed kasutavad kasvuks energia saamiseks pigmenti. Inimeste toitumises kasutatakse seda taastumise eesmärgil.
Klorofüll, naguhemoglobiin võib normaalselt toimida ja toota süsivesikuid, kui see on ühendatud valguahelatega. Visuaalselt näib valk olevat ilma selge süsteemi ja struktuurita moodustis, kuid tegelikult on see õige ja seetõttu suudab klorofüll oma optimaalset positsiooni stabiilselt säilitada.
Tegevusfunktsioonid
Teadlased, uurides seda kõrgemate taimede peamist pigmenti, leidsid, et seda leidub kõigis rohelistes: nimekirjas on köögiviljad, vetikad, bakterid. Klorofüll on täiesti looduslik ühend. Oma olemuselt on sellel kaitsja omadused ja see hoiab ära DNA transformatsiooni, mutatsiooni toksiliste ühendite mõjul. Erilist uurimistööd korraldati India botaanikaaias uurimisinstituudi juures. Nagu teadlased on avastanud, võib värsketest ürtidest saadud klorofüll kaitsta mürgiste ühendite, patoloogiliste bakterite eest ning rahustab ka põletikku.
Klorofüll on lühiajaline. Need molekulid on väga haprad. Päikesekiired toovad kaasa pigmendi surma, kuid roheline leht suudab tekitada üha uusi molekule, mis asendavad kaaslasi teeninuid. Sügishooajal klorofülli enam ei toodeta, mistõttu lehestik kaotab oma värvi. Esiplaanile tulevad teised pigmendid, mis on varem välise vaatleja pilgu eest varjatud.
Erinevusel pole piiranguid
Kaasaegsetele teadlastele tuntud taimsete pigmentide valik on erakordselt suur. Aasta-aast alt avastavad teadlased üha uusi molekule. Suhteliselt hiljuti läbi viiduduuringud on võimaldanud lisada kahele ülalmainitud klorofülli sordile veel kolm tüüpi: C, C1, E. Siiski peetakse endiselt kõige olulisemaks tüüpi A. Kuid karotenoidid on isegi mitmekesisemaks. See pigmentide klass on teadusele hästi tuntud – just tänu neile saavad varjundit porgandijuured, paljud köögiviljad, tsitrusviljad ja muud taimemaailma kingitused. Täiendavad testid on näidanud, et kanaaridel on karotenoidide tõttu kollased suled. Need annavad värvi ka munakollasele. Karotenoidide rohkuse tõttu on Aasia elanikel omapärane nahatoon.
Ei inimesel ega loomamaailma esindajatel pole selliseid biokeemia tunnuseid, mis võimaldaksid toota karotenoide. Need ained ilmuvad A-vitamiini baasil. Seda tõestavad tähelepanekud taimsete pigmentide kohta: kui kana ei saanud koos toiduga taimestikku, on munakollased väga nõrga varjundiga. Kui kanaarilindu on söödetud suures koguses punaste karotenoididega rikastatud toiduga, omandavad ta suled erksa punase varjundi.
Uudsed omadused: karotenoidid
Taimede kollast pigmenti nimetatakse karoteeniks. Teadlased on leidnud, et ksantofüllid annavad punase varjundi. Teadusringkondadele teadaolevate nende kahe tüübi esindajate arv kasvab pidev alt. 1947. aastal teadsid teadlased umbes seitset tosinat karotenoidi ja 1970. aastaks oli neid juba üle kahesaja. Mingil määral sarnaneb see teadmiste edenemisega füüsika valdkonnas: esm alt teadsid nad aatomitest, seejärel elektronidest ja prootonitest ning seejärel paljastasidisegi väiksemad osakesed, mille tähistamiseks kasutatakse ainult tähti. Kas elementaarosakestest saab rääkida? Nagu füüsikute katsed on näidanud, on sellist terminit veel vara kasutada – teadus pole veel arenenud sellisel määral, et neid oleks võimalik leida, kui üldse. Sarnane olukord on kujunenud pigmentidega – aasta-aast alt avastatakse uusi liike ja tüüpe ning bioloogid on vaid üllatunud, suutmata seletada mitmekülgset olemust.
Teave funktsioonide kohta
Kõrgemate taimede pigmentidega tegelevad teadlased ei suuda veel selgitada, miks ja miks loodus on andnud nii suure valiku pigmendimolekule. Mõnede üksikute sortide funktsionaalsus on selgunud. On tõestatud, et karoteen on vajalik, et tagada klorofülli molekulide ohutus oksüdatsiooni eest. Kaitsemehhanism on tingitud singletthapniku omadustest, mis moodustub fotosünteesireaktsiooni käigus lisaproduktina. See ühend on väga agressiivne.
Teine kollase pigmendi omadus taimerakkudes on selle võime suurendada fotosünteesiprotsessiks vajalikku lainepikkuse intervalli. Hetkel pole sellist funktsiooni täpselt tõestatud, kuid palju on tehtud uuringuid, mis viitavad sellele, et hüpoteesi lõplik tõestus pole enam kaugel. Kiiri, mida roheline taimne pigment ei suuda absorbeerida, neelavad kollase pigmendi molekulid. Seejärel suunatakse energia edasiseks muundamiseks klorofülli.
Pigmendid: nii erinevad
Välja arvatud mõnedkarotenoidide sordid, pigmendid, mida nimetatakse auroonideks, kalkoonid on kollase värvusega. Nende keemiline struktuur on paljuski sarnane flavoonidega. Selliseid pigmente ei esine looduses kuigi sageli. Neid leiti lehtedest, oksaliste ja snapdraakoni õisikutest, need annavad coreopsise värvi. Sellised pigmendid ei talu tubakasuitsu. Kui fumigeerida taime sigaretiga, läheb see kohe punaseks. Taimerakkudes kalkoonide osalusel toimuv bioloogiline süntees viib flavonoolide, flavoonide, auroonide tekkeni.
Nii loomadel kui taimedel on melaniini. See pigment annab juustele pruuni tooni, tänu sellele võivad lokid mustaks minna. Kui rakud melaniini ei sisalda, muutuvad loomamaailma esindajad albiinodeks. Taimedel leidub pigmenti punaste viinamarjade koores ja mõnes õisikus kroonlehtedes.
Sinine ja palju muud
Taimestik saab oma sinise varjundi tänu fütokroomile. See on valguline taimne pigment, mis vastutab õitsemise kontrollimise eest. See reguleerib seemnete idanemist. On teada, et fütokroom võib mõne taimemaailma esindaja õitsemist kiirendada, teistel aga vastupidine aeglustumise protsess. Mingil määral saab seda võrrelda kellaga, kuid bioloogiline. Praegu ei tea teadlased veel kõiki pigmendi toimemehhanismi eripärasid. Leiti, et selle molekuli struktuuri kohandavad kellaaeg ja valgus, edastades taimele teavet keskkonna valguse taseme kohta.
Sinine pigment seestaimed - antotsüaniin. Siiski on mitu sorti. Antotsüaniinid ei anna mitte ainult sinist, vaid ka roosat värvi, nad selgitavad ka punast ja lillat värvi, mõnikord tumedat, rikkalikku lillat. Antotsüaniinide aktiivset teket taimerakkudes täheldatakse siis, kui ümbritseva õhu temperatuur langeb, klorofülli teke peatub. Lehestiku värvus muutub rohelisest punaseks, punaseks, siniseks. Tänu antotsüaniinidele on roosidel ja moonidel eredad helepunased õied. Sama pigment selgitab kurereha ja rukkilille õisikute toone. Tänu sinisele antotsüaniini sordile on sinililli õrn värv. Seda tüüpi pigmendi teatud sorte on täheldatud viinamarjades, punases kapsas. Antotsüaniinid annavad kaljudele ja ploomidele värvi.
Hele ja tume
Tuntud kollane pigment, mida teadlased nimetasid antoklooriks. Seda leiti priimula kroonlehtede nahast. Antokloori leidub priimulates, jäära õisikutes. Nad on rikkad kollaste sortide moonide ja daaliate poolest. See pigment annab meeldiva värvi kärnkonna õisikutele, sidruni viljadele. Seda on tuvastatud mõnes teises taimes.
Antofeiin on looduses suhteliselt haruldane. See on tume pigment. Tänu temale tekivad mõnede kaunviljade korollale spetsiifilised laigud.
Kõik eredad pigmendid on looduse poolt välja töötatud taimemaailma esindajate spetsiifiliseks värvimiseks. Tänu sellele värvile meelitab taim linde ja loomi. See tagab seemnete leviku.
Teave lahtrite ja struktuuri kohta
Püüame kindlaks tehakui tugev alt sõltub taimede värvus pigmentidest, kuidas need molekulid on paigutatud, miks on kogu pigmentatsiooniprotsess vajalik, on teadlased avastanud, et taimekehas leidub plastiide. Nii nimetatakse väikeseid kehasid, mis võivad olla värvilised, kuid on ka värvitud. Sellised väikesed kehad on ainult ja eranditult taimemaailma esindajate hulgas. Kõik plastiidid jaotati rohelise varjundiga kloroplastideks, punase spektri erinevates variatsioonides (kaasa arvatud kollased ja üleminekutoonid) värvunud kromoplastideks ja leukoplastideks. Viimastel pole varjundeid.
Tavaliselt sisaldab taimerakk ühte plastiide sorti. Katsed on näidanud nende kehade võimet teiseneda tüübist tüübiks. Kloroplaste leidub kõigis roheliseks värvunud taimeorganites. Leukoplaste täheldatakse sagedamini otseste päikesekiirte eest varjatud osades. Neid on palju risoomides, neid leidub mõne taimeliigi mugulates, sõelaosakestes. Kromoplastid on tüüpilised kroonlehtedele, küpsetele viljadele. Tülakoidmembraanid on rikastatud klorofülli ja karotenoididega. Leukoplastid ei sisalda pigmendimolekule, kuid võivad olla sünteesiprotsesside, toitainete – valkude, tärklise, aeg-aj alt rasvade – kogunemise kohaks.
Reaktsioonid ja teisendused
Kõrgemate taimede fotosünteetilisi pigmente uurides on teadlased leidnud, et kromoplastid on karotenoidide olemasolu tõttu punaseks värvunud. Üldiselt aktsepteeritakse, et kromoplastid on plastiidide väljatöötamise viimane etapp. Tõenäoliselt tekivad need leuko-, kloroplastide muundumisel, kui nad vananevad. Suures osasselliste molekulide olemasolu määrab sügisel lehestiku värvuse, aga ka säravad, silmailu pakkuvad lilled ja viljad. Karotinoide toodavad vetikad, taimeplankton ja taimed. Neid võivad tekitada mõned bakterid, seened. Karotenoidid vastutavad taimemaailma elavate esindajate värvi eest. Mõnel loomal on biokeemilised süsteemid, mille tõttu karotenoidid muudetakse teisteks molekulideks. Sellise reaktsiooni lähteaine saadakse toidust.
Vastav alt roosade flamingode vaatlustele koguvad need linnud kokku ja filtreerivad spirulinat ja mõningaid teisi vetikaid, et saada kollast pigmenti, millest seejärel ilmuvad kantaksantiin, astaksantiin. Just need molekulid annavad lindude sulestikule nii kauni värvi. Paljud kalad ja linnud, vähid ja putukad on toidust saadavatest karotenoididest ereda värvusega. Beetakaroteen muudetakse mõneks vitamiiniks, mida kasutatakse inimese kasuks – need kaitsevad silmi ultraviolettkiirguse eest.
Punane ja roheline
Kõrgemate taimede fotosünteetilistest pigmentidest rääkides tuleb märkida, et need suudavad absorbeerida valguslainete footoneid. Tuleb märkida, et see kehtib ainult inimsilmale nähtava spektriosa kohta, see tähendab lainepikkuse vahemikus 400–700 nm. Taimeosakesed suudavad neelata ainult kvante, millel on fotosünteesireaktsiooniks piisav alt energiavarusid. Imendumise eest vastutavad ainult pigmendid. Teadlased on uurinud taimemaailma vanimaid eluvorme – baktereid, vetikaid. On kindlaks tehtud, et need sisaldavad erinevaid ühendeid, mis suudavad vastu võtta valgust nähtavas spektris. Mõned sordid võivad vastu võtta valguse kiirguslaineid, mida inimsilm ei taju – infrapuna lähedal asuvast plokist. Lisaks klorofüllidele on selline funktsionaalsus looduse poolt omistatud bakteriorodopsiinile, bakterioklorofüllidele. Uuringud on näidanud fükobiliinide ja karotenoidide sünteesireaktsioonide tähtsust.
Taimede fotosünteetiliste pigmentide mitmekesisus on rühmati erinev. Palju määravad eluvormi elutingimused. Kõrgema taimemaailma esindajatel on pigmentide valik väiksem kui evolutsiooniliselt iidsetel sortidel.
Millest see on?
Taimede fotosünteetilisi pigmente uurides leidsime, et kõrgematel taimevormidel on ainult kaks klorofülli sorti (varem mainitud A, B). Mõlemad tüübid on porfüriinid, millel on magneesiumiaatom. Need sisalduvad valdav alt valgust koguvates kompleksides, mis neelavad valgusenergiat ja suunavad selle reaktsioonikeskustesse. Keskused sisaldavad suhteliselt väikest protsenti kogu taimes leiduvast 1. tüüpi klorofüllist. Siin toimuvad fotosünteesile iseloomulikud esmased interaktsioonid. Klorofülliga kaasnevad karotenoidid: nagu teadlased on leidnud, on neid tavaliselt viis sorti, mitte rohkem. Need elemendid koguvad ka valgust.
Klorofüllid, karotenoidid on lahustunud taimsed pigmendid, millel on kitsad valguse neeldumisribad, mis on üksteisest üsna kaugel. Klorofüllil on võime kõige tõhusam altneelavad siniseid laineid, võivad nad töötada punastega, kuid nad püüavad rohelist valgust väga nõrg alt. Spektri laiendamise ja kattumise tagavad taime lehtedest ilma suuremate raskusteta eraldatud kloroplastid. Kloroplasti membraanid erinevad lahustest, kuna värvained kombineeritakse valkude, rasvadega, reageerivad üksteisega ning energia liigub kollektorite ja akumulatsioonikeskuste vahel. Kui arvestada lehe valguse neeldumisspektrit, osutub see veelgi keerukamaks, siledam kui üksik kloroplast.
Peegeldus ja neeldumine
Taime lehtede pigmente uurides on teadlased leidnud, et teatud protsent lehte tabavast valgusest peegeldub. See nähtus jagunes kaheks: peegel, hajus. Nad ütlevad esimese kohta, kui pind on läikiv, sile. Lehe peegelduse moodustab valdav alt teine tüüp. Valgus imbub paksusesse, hajub, muudab suunda, kuna nii väliskihis kui ka lehe sees on erineva murdumisnäitajaga eralduspinnad. Sarnaseid efekte täheldatakse ka siis, kui valgus läbib rakke. Tugevat neeldumist ei toimu, optiline tee on geomeetriliselt mõõdetuna palju suurem kui lehe paksus ja leht suudab neelata rohkem valgust kui sellest eraldatud pigment. Lehed neelavad ka palju rohkem energiat kui eraldi uuritud kloroplastid.
Kuna on erinevaid taimseid pigmente – vastav alt punane, roheline ja nii edasi –, on imendumisnähtus ebaühtlane. Leht suudab tajuda erineva lainepikkusega valgust, kuid protsessi efektiivsus on suurepärane. Rohelise lehestiku suurim neeldumisvõime on omane spektri violetsele plokile, punasele, sinisele ja sinisele. Absorptsiooni tugevust praktiliselt ei määra klorofüllide kontsentreeritus. See on tingitud asjaolust, et meediumil on suur hajumisjõud. Kui pigmente täheldatakse suures kontsentratsioonis, toimub neeldumine pinna lähedal.
