Раздел 3. Фотосинтез

Фотосинтез является сложным окислительно-восстановительным процессом, в результате которого происходит трансформация электромагнитной энергии света в химическую энергию синтезируемых органических соединений. В основе фотосинтеза лежит сложный комплекс фотофизических, фотохимических (световая фаза) и биохимических ферментативных реакций (темновая фаза).

В световой фазе фотосинтеза электромагнитная энергия света поглощается пигментами хлоропластов (работы 20…22) и в ходе фотосинтетического фосфорилирования трансформируется в химическую энергию макроэргических связей АТФ, одновременно происходит фотолиз воды, выделение кислорода и восстановление коферментов дегидрогеназ – НАД(Ф)·Н. В темновой фазе фотосинтеза при участии продуктов световой фазы из углекислого газа и воды синтезируются углеводы. Продукты фотосинтеза передвигаются из хлоропластов в различные ткани растений и используются для синтеза других структурных или запасных веществ.

Таким образом, при фотосинтезе создается основная масса сухого вещества растений, что определяет его ведущую роль в формировании урожая. Органические вещества, образующиеся при фотосинтезе, используются всеми гетеротрофными организмами как источник энергии и пластических веществ в процессе их жизнедеятельности.

Основными показателями, характеризующими фотосинтетическую активность растений, являются интенсивность фотосинтеза (работа 23) и продуктивность фотосинтеза (работа 24), которые зависят от генетических особенностей растений, а также от условий внешней среды –интенсивности освещения, температуры, водообеспеченности, газового состава атмосферы, элементов минерального питания и других.

Знание основных закономерностей фотосинтеза позволяет управлять продукционным процессом культурных растений – повышать урожайность и качество продукции.

Работа 20. Изучение химических свойств пигментов зеленого листа

В растениях содержатся несколько групп пигментов (красящих веществ), различающихся по химической природе, свойствам и функциям: хлорофиллы, каратиноиды, фикобилины, антоцианы, флавоны и флавонолы.

Хлорофиллы – зеленые пигменты хлоропластов. У высших растений содержатся два вида хлорофиллов: хлорофилл a, имеющий синеватый оттенок (С₅₅Н₇₂О₅N₄Mg) и хлорофилл b, имеющий желтоватый оттенок (С₅₅Н₇₀О₆N₄Mg). Хлорофиллы выполняют функцию поглощения света, участвуют в первичных фотохимических реакциях (хлорофиллы реакционных центров).

Каротиноиды представлены пигменты желтого и оранжевого цвета – каротинами (C­₄₀H₅₆) и ксантофиллами (C­₄₀H₅₄(OH)₂). К каротинам относятся α-, β-, γ-каротины и ликопин. Ксантофиллы – кислородсодержащие производные каротинов – зеаксантин, криптоксантин, виалоксантин, лютеин. Каротиноиды содержатся в хлоропластах и участвуют в поглощении света и передаче поглощенной энергии на хлорофиллы реакционныхцентров фотисистем.

Фикобилины – пигменты фотосинтезирующих водорослей (фикоцианин, фикоэритрин), имеют сходное с хлорофиллами строение, поглощают длинноволновые лучи, проникающие на большие глубины.

Антоцианы – водорастворимые пигменты фенольной природы, содержащиеся в клеточном соке. Они обладают самой разнообразной окраской, определяют окраску цветков, плодов, различные оттенки зеленого цвета листьев и других органов растений.

Цель работы. Выделить пигменты хлоропластов, произвести их разделение, изучить строение и физико-химические свойства.

Ход работы. 1. Выделение пигментов. Хлорофиллы и каратиноиды гидрофобные вещества, они не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях (спирте, бензине, ацетоне).

Отвешивают 4…5 г свежих или 0,5…1 г сухих листьев, помещают в фарфоровую ступку, прибавляют около 1 г СаСО₃ и немного кварцевого песка. Листья тщательно растирают, затем в ступку добавляют около 10 мл 96 % этилового спирта и продолжают растирать до получения темно-зеленой вытяжки. В чистую пробирку вставляют воронку, в которую вкладывают складчатый бумажный фильтр. Вытяжку по стеклянной палочке переливают в воронку на фильтр. Полученный фильтрат используют для разделения пигментов и изучения их физико-химических свойств.

2. Разделение пигментов по Краусу. Метод Крауса основан на различной растворимости пигментов в спирте и бензине.

В сухую пробирку наливают около 3…4 мл полученной спиртовой вытяжки. Затем в пробирку приливают полуторный объем бензина. Если вытяжка получена из сухих листьев к ней добавляют 3…5 капель воды. Пробирку закрывают резиновой пробкой и несколько раз сильно встряхивают, а затем оставляют на 1…2 мин для отстаивания. После того как жидкость отстоится, в пробирке образуется два слоя: верхний бензиновый – зеленого цвета и нижний спиртовой – желтого цвета. Если расслоение не происходит, в пробирку нужно снова добавить воду. Если вода прибавлена в избытке, спиртовой слой мутнеет. В этом случае необходимо прибавить немного спирта.

После разбавления спирта водой, растворимость в нем каротинов (непредельные углеводороды, обладающие высокой гидрофобностью) и хлорофиллов (бифильные вещества с преобладанием гидрофобных свойств) ухудшается, и они переходят в верхний бензиновый слой. Ксантофилл, будучи двухосновным спиртом, слабо растворим в бензине и поэтому остается в нижнем спиртовом слое.

После опыта делают зарисовки пробирок цветными карандашами, указывая расположение в них бензина и спирта и пигментов – хлорофиллов, каротинов и ксантофиллов.

3. Строение хлорофилла. Хлорофилл является сложным эфиром дикарбоновой кислоты хлорофиллина и двух спиртов – метанола и фитола:

		СН3ОН	С20Н39ОН
хлорофилл а	хлорофиллиновая кислота	метанол	фитол

Хлорофиллиновая кислота образует порфириновое ядро молекулы хлорофилла и состоит из 4-х пирольных азотсодержащих колец, соединенных между собой метиновыми связями (=СН–). В центре ядра находится магний, соединенный координационными связями с атомами азота пирольных колец. В порфириновом ядре имеется 10 двойных связей с делокализованными π-электронами, способными под действием света переходить на более высокий энергетический уровень (возбуждение хлорофилла). Остаток спирта фитола присоединяется к пятому изопентаноновому кольцу и определяет его гидрофобные свойства.

Зарисуйте структурную формулу молекулы хлорофилла, обозначьте порфириновое ядро, пирольные кольца, спирты метанол и фитол.

4. Омыление хлорофилла щелочью. При действии на хлорофилл щелочи эфирные связи омыляются и образуются соль хлорофиллиновой кислоты и свободные спирты – метанол и фитол. Реакция идет по уравнению:

хлорофилл метанол фитол Na соль хлорофиллиновой кислоты

В пробирку наливают 3…4 мл спиртовой вытяжки, затем к вытяжке прибавляют 1…2 измельченных кусочка NaОН или КОН, пробирку закрывают резиновой пробкой и взбалтывают в течение 3…5 мин. При этом происходит омыление хлорофилла и образование продуктов реакции.

После окончания реакции в пробирку приливают одинаковый объём бензина и несколько капель воды. Пробирку закрывают, несколько раз встряхивают и дают отстояться. Так как продукты омыления хлорофилла, каротин и ксантофилл имеют разную растворимость в спирте и бензине, они будут располагаться в разных слоях пробирки. В верхний бензиновый слой перейдет каротин, а в нижнем спиртовом слое остаются ксантофилл (спирт) и продукты реакции – метанол, фитол (спирты) и натриевая соль хлорофиллиновой кислоты (соль, растворимая в разбавленном водой спирте). Спиртовой слой имеет зеленую окраску, так как порфириновое ядро в молекуле соли хлорофиллиновой кислоты остается не разрушенным.

Зарисуйте цветными карандашами слои в пробирке и сделайте пояснения.

5. Действие кислот на хлорофилл. При действии кислот на хлорофилл магний в порфириновом ядре молекулы заменяется на водород, при этом образуется феофитин, вещество бурого цвета. Реакция идет по уравнению:

хлорофилл феофитин

В две пробирки наливают по 2…3 мл спиртовой вытяжки пигментов и добавляют по 3…4 капли 10 %-ного раствора соляной кислоты. Раствор становится бурым вследствие образования феофитина. Затем в одну из пробирок с побуревшей от кислоты вытяжкой прибавляют несколько кристаллов уксуснокислого цинка или уксуснокислой меди и осторожно нагревают до кипения, при вскипании бурый цвет раствора сменится на ярко-зеленый, так как атом цинка или меди становится на место водорода в молекуле феофитина, восстанавливая при этом зеленую окраску.

Обратите внимание, что зеленый цвет хлорофилла связан с наличием в центральном ядре молекулы двухвалентного металла магния, который соединен с четырьмя пиррольными кольцами. На это указывает восстановление зеленой окраски при действии на феофитин других уксуснокислых солей двухвалентных металлов (меди, цинка, железа).

Зарисуйте пробирки цветными карандашами. Сделайте выводы по результатам опытов

Вопросы:

1. Что такое фотосинтез и в чем его значение?

2. Какие процессы проходят в световой и темновой фазах фотосинтеза?

3. Какие вы знаете пигменты? Какова их химическая природа и функции?

4. Как можно выделить и разделить пигменты?

5. Какое строение имеет хлорофилл? Что происходит при взаимодействии хлорофилла со щелочью и кислотой? Почему хлорофилл имеет зеленую окраску?

Материалы и оборудование: свежие или сухие листья, 96 % этиловый спирт, бензин, кристаллический NaOH или KOH, 10 %-ный раствор HCl, кристаллический уксуснокислый цинк или уксуснокислая медь, CaCO₃, кварцевый песок, ступки с пестиком, воронки, штативы с пробирками, мерные цилиндры, спички, бумажные фильтры, цветные карандаши, стеклянные палочки для переноса вытяжки.