Федеральное агентство по образованию

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Биологический факультет

Кафедра биохимии и физиологии растений

Ю.В. Синицына

Л.Н. Олюнина

Е.О. Половинкина

Фотосинтез и дыхание растений

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано методической комиссией биологического факультета для студентов ННГУ, обучающихся по направлениям подготовки 020200 «Биология» и 020800 «Экология и природопользование» и специальностям 020201 «Биология», 020801 «Экология» и 020207 «Биофизика»

Нижний Новгород

2008

УДК 581.1

ББК Е573

В-57

В-57 Синицына Ю.В., Олюнина Л.Н., Половинкина Е.О. ФОТОСИНТЕЗ И ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ: Учебно-методическое пособие. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2008. – 28с.

Рецензент: доц., канд. биол. наук О.В. Орлова

Учебно-методическое пособие включает описание лабораторных работ по разделам «Фотосинтез» и «Дыхание» курса «Физиология растений». Работы, предлагаемые в разделе Iхарактеризуют основные химические и оптические свойства пигментов и их разделение с помощью тонкослойной хроматографии на пластинках силуфола, что является иллюстрацией раздела соответствующего теоретического курса. В работах, представленных в разделеII, описаны методы определения интенсивности фотосинтеза. Работы, приведенные в разделеIII, характеризуют работу ферментов дыхания, а также знакомят с методами анализа интенсивности дыхания. Приводятся методические указания по выполнению работ, перечислены необходимые материалы и оборудование.

Учебно-методическое пособие предназначено для студентов-биологов университетов, а также педагогических и сельскохозяйственных ВУЗов, может быть использовано учителями школ при проведении лабораторных занятий, демонстрации опытов на уроках.

УДК 581.1

ББК Е573

© Нижегородский государственный

Университет им. Н.И. Лобачевского, 2008

СОДЕРЖАНИЕ

РАЗДЕЛ I. ПИГМЕНТЫ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА…………..4

Работа 1. Получение спиртовой вытяжки пигментов и

изучение их химических и оптических свойств…………………….…5

Работа 2. Разделение смеси пигментов с помощью

бумажной хроматографии……………………………………………….8

Работа 3. Сравнение качественного состава пигментов

высших растений разных систематических групп…………………..…9

Работа 4. Определение содержания основных пигментов

фотосинтетического аппарата в листьях высших растений…………..10

РАЗДЕЛ II. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ

ФОТОСИНТЕЗА……………………………………………………….13

Работа 5. Определение интенсивности фотосинтеза

высшего водного растения по выделению кислорода………………...13

Работа 6. Обнаружение фотосинтеза методом

крахмальной пробы (по Саксу)…………………………………………14

Работа 7. Определение интенсивности фотосинтеза по поглощению

углекислого газа (по Л.А. Иванову и Л.Н. Коссович)…………….…..15

РАЗДЕЛ III. ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ…………………………………………….17

Работа 8. Определение интенсивности дыхания по количеству выделенного

диоксида углерода (по Бойсен-Йенсену)………………………….......17

Работа 9. Обнаружение активности ферментов дыхания………………………..20

Работа 10. Определениеинтенсивности дыхания растений по поглощению

кислорода манометрическим методом Варбурга………………...... ...23

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………….27

РАЗДЕЛ I. ПИГМЕНТЫ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА

Пигменты растений – это различные вещества, имеющие окраску и способные к избирательному поглощению части солнечного спектра в области 300–800 нм. К числу пигментов относят разнообразные соединения, участвующие не только в фотохимических, но и энзиматических реакциях, например, флавины, разнообразные хиноны – коферменты биокаталитических систем, близкие к ним цитохромы.

Пигменты фотохимических реакций делят на две группы:

1. Тетрапирролы:

а) хлорофиллы – Mg-порфирины, в основе химического строения которых лежит порфириновое кольцо;

б) фикобилины – тетрапирролы с незамкнутой системой;

2. Полиизопрены– каротиноиды.

Особенно важное значение в реакциях фотосинтеза принадлежит хлорофиллам. Сегодня известно более 10 пигментов, входящих в группу хлорофиллов и различающихся между собой некоторыми структурными особенностями.

Основные хлорофиллы «а» и «b» характерны для высших растений и водорослей, «с» – для бурых и диатомовый водорослей, «а» и «d» – для красных водорослей, бактериохлорофилл – для фотосинтетических бактерий, осуществляющих фоторедукцию.

В основе структуры хлорофилла лежит порфирин – полярная часть молекулы, и фитольный «хвост» (остаток одноатомного непредельного спирта фитола) – гидрофобная часть, заякоривающая молекулу хлорофилла в липидном бислое мембраны тилакоида.

В порфирине выделяют 3 структурных элемента:

1. сопряженная система двойных и одинарных (конъюгированных) связей, обеспечивающая поглощение света;

2. Mg, определяющий физические и химические свойства хлорофилла, способный изменять спектральные и конформационные характеристики молекулы, обеспечивающий связь хлорофилла с белком и пигмент-пигментные взаимодействия;

3. циклопентановое кольцо, содержащее кетогруппу – эта полярная группировка обеспечивает связь хлорофилла с молекулой воды и гидрофильность всей порфириновой структуры.

Фитол (C₂₀H₃₉OH) не участвует в поглощении энергии света, но ориентирует молекулу хлорофилла в структуре хлоропласта.

Хлорофиллы выполняют следующие функции:

а) поглощение энергии света в красной и сине-фиолетовой частях спектра;

б) запасание энергии;

в) преобразование ее в реакционных центрах.

Остальные группы пигментов являются дополнительными (вспомогательными).

Фикобилины– пигменты водорослей, главными из которых являются фикоэритрин и фикоцианин. Они способны активно поглощать энергию света в зеленой части спектра, т.е. области между двумя максимумами поглощения хлорофиллов.

Фикобилины являются хромофорными группами фикобилипротеинов – глобулиновых белков, с которыми, в отличие от хлорофиллов, они связаны прочными ковалентными связями и не способны преобразовывать энергию.

Водорастворимые фикобилипротеины локализованы в клетках водорослей в специальных гранулах – фикобилисомах.

Каротиноиды– жирорастворимые пигменты желтого, оранжевого и красного цвета – присутствуют в хлоропластах всех растений.

Все каротиноиды – полиеновые соединения, состоящие из восьми остатков изопрена, которые образуют цепь конъюгированных связей. Каротиноиды могут быть нециклическими (алифатическими), моно- и бициклическими. Циклы на концах молекул каротиноидов являются производными ионона.

С точки зрения фотосинтеза интересны:

каротины– неполярные соединения;

ксантофиллы– кислородсодержащие производные каротинов.

Каротины локализованы в липидной фракции мембраны, ксантофиллы имеют в своем составе кислород и более полярны. Как и хлорофиллы, каротиноиды нековалентно связаны с белками и липидами мембран.

Каротиноиды выполняют следующие функции:

1. дополнительное поглощение энергии света;

2. защита хлорофилла от фотоокисления;

3. ксантофиллы участвуют в формировании молекулярного кислорода.

Работа 1. Получение спиртовой вытяжки пигментов и изучение их химических и оптических свойств.

Объектом исследования служат листья и зеленые проростки растений различных систематических групп.

Получают спиртовую вытяжку пигментов и исследуют их основные химические свойства.

Ход определения.

Мелко нарезанные листья или проростки (3 – 4г) растирают с СаСО₃и 15 – 20 мл этанола. Вытяжку фильтруют в сухую колбочку через бумажный фильтр. Вытяжка представляет собой смесь пигментов – хлорофиллов “a” и “b”, каротинов, ксантофиллов. Полученную вытяжку используют при исследовании химических свойств пигментов.