Пигменты - материал для подготовки к олимпиадам

14

2 ФОТОСИНТЕЗ

2.1 Пигментные системы фотосинтеза

Основным органом фотосинтеза у высших растений является лист. На рисунке 5 показано анатомическое строение листа.

Задание 1: рассмотрите рисунок 5. Ответьте на вопросы:

1. Из каких тканей состоит лист?

2. Какие функции выполняет каждая из тканей листа в процессе фотосинтеза?

Пигменты фотосинтеза находятся в хлоропластах (рисунок 6) в мембранах тилакоидов.

Задание 2: рассмотрите рисунок 6. Расшифруйте обозначения элементов ультраструктуры хлоропластов.

У выс­ших растений это хлорофиллы а и b, каротин, ксантофилл, феофитин. Хлорофилл а – главная функциональная часть пигментной системы растений. Он способен, поглотив квант света, передавать его энергию на компоненты электронно-транспортной цепи. С их участием совершается преобразование энергии электронного воз­буждения хлорофилла в химическую энергию АТФ и НАДФН₂.

Хлорофиллы по своей химической природе являются сложными эфирами дикарбоновой кислоты хлорофиллина и двух одноатом­ных спиртов – высокомолекулярного фитола С₂₀Н₃₉ОН и метило­вого спирта СН₃ОН и представляют собой фетилметилхлорофиллиды.

Хлорофилл а отличается от хлорофилла b тем, что у третьего углеродного атома во втором пирольном кольце его молекулы ме­тильная группа заменена на альдегидную.

СООСН₃

Хлорофилл a MgN₄OH₃₀C₃

СООС₂₀Н₃₉

СООСН₃

Хлорофилл b MgN₄О₂H₂₈C₃

СООС₂₀Н₃₉

Каротиноиды подразде­ляются на каротины (ненасыщенные углеводороды с эмпиричекой формулой С₄₀Н₅₆) и ксантофиллы, отличающиеся от кароиноидов присутствием кислорода (С₄₀Н₅₆О₂).

Структурные формулы хлорофиллов, фикоцианобилина и β-каротина представлены на рисунке 7.

Задание 3: рассмотрите структурные формулы пигментов фотосинтеза, устно поясните особенности структуры их молекул и как она влияет на функции на выполняемые этими пигментами функции.

Рисунок 5 – строение листа

Рисунок 6 – Ультраструктура хлоропласта

Рисунок 6 – структурные формулы хлорофиллов а и b, фикоцианобилина и

β-каротина

Обычно пигменты из растительной ткани извлекают полярными растворителями (этанолом, этиловым эфиром, ацетоном), которые нарушают связь хлорофиллов и каротиноидов с липопротеидами пластид и обеспечивают их полное экстрагирование из живых листьев. Из сухого растительного материала экстракцию ведут с добавлением воды, чтобы нарушить связи с молекулами белка. Неполярные растворители гексан, петролейный эфир и др.) не нарушают связи этих пигментов с белками и потому не могут их извлечь из свежих листьев.

Все хлорофиллы – вещества нестойкие. Извлеченные из листа, они легко окисляются на воздухе.

Цель работы: ознакомиться с методами экстракции пигментов и с их химическими свойствами.

Материалы и оборудование: ступка с пестиком, воронка, стеклянный фильтр, насос (Камовского или водоструйный), штатив с пробирками, пробки для пробирок, спиртовка, стеклянные палочки, 1 коническая колба на 50 мл с обернутой калькой или полиэтиленовой пленкой пробкой, химический стаканчик на 50 мл, баня, NaOH или КОН в кристаллах, кварцевый песок, бензин, 10 %-ный раствор НСl, этанол, СаСО₃, Zn(CH₃COO)₂.

Растения: зеленые листья любых растений, сухие листья кра­пивы.

Работа 2.1.1 Получение спиртовой вытяжки из листьев

Ход работы

Для последующих работ с пигментами растений в основном используют спиртовой экстракт из листьев. Экстракт пигментов в количестве 50 мл получают из живых листьев. Навеску листьев в 5-10 г размельчают и переносят в фарфоровую ступку, прибавляют на кончике шпателя СаСО₃ (для нейтрализации кислот клеточного сока), небольшое количество кварцевого песка (для лучшего растирания) и 1-2 мл спирта. Все это тщательно и быстро растирают в ступке постепенно добавляя (после получения гомогенной массы) спирт несколькими порциями (в целом 10-15 мл).

Гомогенат вместе с осадком аккуратно по пестику переносят на стеклянный фильтр, установленный в колбе Бунзена. Фильтруют с помощью насоса. После окончания фильтрования пестик и стенки ступки обмывают спиртом (3-5 мл) и профильтровывают (повторить 2-3 раза). Прозрачную вытяжку пигментов количественно переносят в коническую колбу на 50 мл, обмывая стенки колбы Бунзена небольшой порцией спирта (общий расход спирта на получение вытяжки не более 50 мл). Колбу закрывают пробкой, обернутой кусочком кальки или полиэтиленовой пленки.

Вытяжку пигментов исполь­зуют в работе. Хранить растворы пиг­ментов следует в темноте в холодильнике.

Работа 2.1.2 Омыление хлорофилла щелочью.

Обработка хлорофилла щелочью может вызвать омыление эфирных связей, т. е. отщепле­ние остатков метилового спирта и фитола:

СООСН₃ COONa

_{/ /}

MgN₄OH₃₀C₃₂ + 2NaOH = MgN₄OH₃₀C₃₂ + С₂₀Н₃₉ОН + СН₃ОН

_{\ \}

COOC₂₀H₃₉ COONa

Образующаяся при этом соль хлорофиллиновой кислоты сохра­няет зеленую окраску, но отличается от хлорофилла большей гидрофильностью.

В данной работе образование щелочной соли обнаруживают по ее лучшей растворимости в спирте, чем в бензине. После омыле­ния хлорофилла, находящегося в бензиновом слое, соль хлорофиллина перейдет в спиртовой слой и окрасит его в зеленый цвет.

Ход работы

В пробирку с 2-3 мл спиртовой вытяжки пигментов добавля­ют такой же объем бензина и 2-3 капли воды. Закрывают пробкой и сильно встряхивают содержимое в течение 15-20 с, после чего пробирку ставят в штатив до начала разделения слоев бензина и спирта. Хлорофилл вместе с каротином находится в верхнем бен­зиновом слое, вследствие чего этот слой окрашен в зеленый цвет, нижний спиртовой слой – желтый, так как там остается ксанто­филл. Затем в пробирку бросают кусочек кристаллической щелочи (КОН или NaOH) и снова сильно встряхивают содержимое до ее растворения. Дают смеси жидкостей расслоиться, и полученная соль хлорофиллиновой кислоты переходит в нижний спиртовой слой, так как спиртовой слой стал зеленым. В верхнем бензиновом слое остается желтый пигмент каротин.

Задание: выполнить работ и сделать цветные рисунки, отражающие соответствующие переходы (указать фазы растворителей и содержащиеся в них вещества), записать уравнение реакции получения щелочной соли хлорофиллина.

Работа 2.1.3 Получение феофитина и обратное замещение в нем водо­рода атомом металла.

Феофитин присутствует в растениях в незна­чительных количествах, но выполняет важную функцию в цепи переноса электронов. Его легко получить и изучить химические свой­ства. При взаимодействии хлорофилла с концентрированной кис­лотой атом магния в нем замещается атомами водорода, в резуль­тате образуется нестойкое соединение бурого цвета – феофитин. Если к его раствору добавить несколько кристалликов ацетата цинка (CH₃COO)₂Zn или ацетата меди (СН₃СОО)₂Сu и осторожно подо­греть, то можно наблюдать восстановление зеленой окраски ра­створа. В Этом случае ионы металла (цинка или меди) вытесняют водород в молекуле феофитина и занимают центральное положе­ние в его молекуле, образуя очень стойкое соединение – металлозамещенный хлорофилл.

Свойство металлозамещенного хлорофилла – долго сохранять зеленую окраску и не окисляться на воздухе – используют, когда хотят приготовить постоянный препарат из зеленых органов (лис­тьев, плодов) растений и сохранить его на длительный период. Для этого заливают препарат формалином, к которому прибавля­ют 10 %-ный раствор медного купороса (CuSО₄∙5H₂О). Выдержива­ют препарат в растворе 10-15 дней. За этот период хлорофилл в клетках листа превращается в стойкое соединение – металлозамещенный хлорофилл. Через 10 дней раствор формалина с мед­ным купоросом заменяют чистым раствором формалина. Такой препарат можно хранить годами, а листья все равно останутся зелеными.

Ход работы

В три пробирки отливают по 2 мл спиртовой вытяжки пиг­ментов. Одну пробирку оставляют для контроля. В двух других приготовляют феофитин. Для этого в пробирки добавляют по 2-3 капли 10 %-ной соляной кислоты или в пробирки с ра­створами пигментов погружают стеклянные палочки, смочен­ные в концентрированной соляной кислоте. При этом окраска вытяжки становится бурой, так как хлорофилл превращается в феофитин:

СООСН₃ СООСН₃

_{/ /}

MgN₄OH₃₀C₃₂ + 2НС1 = H₂N₄OH₃₀C₃₂ + MgCl₂

_{\ \}

СООС₂₀Н₃₉ СООС₂₀Н₃₉

Одну пробирку с феофитином оставляют для сравнения, а в другой феофитин переводят в металлозамещенный хлорофилл, добавляя в нее 2-3 кристаллика ацетата цинка или ацетата меди, затем нагревают до кипения. Зеленый цвет пигмента восстанавли­вается:

СООСН₃ СООСН₃

_{/ /}

H₂N₄OH₃₀C₃₂ + (CH₃COO)₂Zn = ZnN₄OH₃₀C₃₂ + 2СН₃СООН

_{\ \}

СООС₂₀Н₃₉ СООС₂₀Н₃₉

Задание: записать уравнения реакций получения феофетина и металлозамещенного хлорофилла. Сравнить по цвету пробирки с растворами хлорофилла и металлозамещен­ного хлорофилла, закрыть их пробками, снабдить этикетками и оставить в штативе на свету. Через неделю сделать выводы о стой­кости хлорофилла и металлозамещенного хлорофилла, отмечая изменения цвета раствора.

31