Pigmentii fotosintetici

PIGMENTII FOTOSINTETICI

Pigmenții fotosintetici sau asimilatori sunt reprezentați de pigmenții verzi clorofilieni (clorofila a si b) si pigmenții galbeni sau carotenoizi (carotine si xantofile).

Clorofila este pigmentul care da culoarea verde plantelor si prezinta proprietetea unica de a capta lumina solara.

1. Plasarea in cloroplaste

Pigmenții fotosintetici sunt plasați in cloroplaste la nivelul tilacoidelor granale, fiind dispusi in lamelele fosfolipo-proteice ale acestora.

Moleculele de clorofila au o forma de zmeu, care este un dipol avand un pol hidrofil si un pol hidrofob. Pigmenții carotenoizi, hidrofobi sunt plasați in stratul fosfolipidic.

Complexul dintre pigmenții fotosintetici si membranele fosfolipo-proteice ale granei formeaza unitați sferice cu diametrul de 90Å, numite cuantozomi. Un cuantozom conține 160 molecule clorofila a + 70 molecule clorofila b + 48 molecule pigmenți galbeni, proteine,
fosfolipide, sulfolipide, digliceride. Azotul proteic se uzeaza continuu, ceea ce determina un necesar permanent de azot pentru cloroplaste.

2. Extragerea si separarea pigmenților

Studiul pigmenților fotosintetici poate fi efectuat numai prin extragerea si separarea acestora din frunze. Extragerea pigmenților se face cu solvenți organici: alcool etilic sau metilic, eter, cloroform, acetona, etc. Separarea lor din extractul sau soluția bruta de pigmenți utilizeaza diferite metode care se bazeaza pe gradul de solubilitate in diferiți solvenți sau pe gradul diferit de adsorbție pe unele medii inerte.

Metoda Sorby Krauss consta in tratarea extractului alcoolic de pigmenți dintr-o eprubeta cu benzina. Dupa agitare, amestecul se separa in doua zone: in partea superioara se afla solventul benzina, ce conține pigmenți verzi si carotina, iar in partea inferioara solventul alcool ce conține xantofila.

Metoda Timiriazev consta in saponificarea clorofilei dintr-un extract alcoolic cu o soluție de hidroxid, NaOH sau Ba(OH)₂, separarea clorofilelor saponificate prin filtrare, iar apoi separarea pigmenților galbeni prin solubilizare diferențiata in benzina si alcool. Benzina conține carotina, iar alcoolul conține xantofila.

Metoda cromatografiei pe hartie, pe coloana sau in strat subțire consta in antrenarea pigmenților sub acțiunea unui solvent organic si separarea lor pe baza adsorbției diferențiate pe unele medii inerte. Aceste medii pot fi hartia cromatografica in cromatografia pe hartie, zaharoza, CaCO₃, Al₂O₃, MgO si amidonul in cromatografia pe coloana si pulberi cu siliciu in cromatografia in strat subțire. Pigmenții se separa pe baza diferenței de culoare.

3. Compoziția chimica a pigmenților

Formula chimica a clorofilei este:

Clorofila a -  C₅₅H₇₂O₅N₄Mg

Clorofila b -  C₅₅H₇₀O₆N₄Mg

Din punct de vedere chimic, clorofila are o structura porfirinica, asemanatoare hemoglobinei din sange si citocromilor, enzime ale respirației. Ea este alcatuita dintr-un nucleu porfirinic in centrul caruia se afla un atom de Mg. Acesta da fluorescența si culoarea verde clorofilei. Nucleul porfirinic prezinta doua funcții acide -COOH, ca acid clorfilinic esterificat cu doi alcooli si anume metanolul si fitolul. Molecula clorofilei ,,a” conține acid clorofilinic ,,a”, iar molecula clorofilei ,,b” conține acid clorofilinic ,,b”; daca in locul CH₃ este atasata o funcție aldehidica rezulta clorofila ,,b”. Prin aceasta structura, molecula clorofilei poseda un pol hidrofil - nucleul porfirinic si un pol hidrofob – fitolul, caracter de o deosebita importanța in fixarea clorofilei in lamele fosfolipo-proteice ale granei cloroplastului.

Formula chimica a carotinelor este C₄₀H₅₆. Carotinele sunt hidrocarburi nesaturate ce conțin 11 legaturi duble conjugate si doua legaturi metilice, cu rol in adsorbția radiațiilor solare. Cele mai importante carotine sunt α si ß carotenul.

Xantofilele prezinta o structura asemanatoare C₄₀H₅₆O₂. cele mai importante xantofile sunt luteina, violaxantina si zeaxantina.

Raportul pigmenți verzi/pigmenți galbeni este de 4/1.

4. Proprietatile fizice si chimice ale pigmentilor

Proprietațile pigmenților fotosintetici pot fi studiate cu ajutorul extractului alcoolic sau soluției de pigmenți.

Proprietațile fizice ale pigmenților fotosintetici sunt :

Culoarea. Clorofila a are culoarea verde – albastrui, clorofila b verde – galbui, carotinele galben – portocaliu si xantofilele galben – verzui.

Solubilitatea. Pigmenții fotosintetici sunt solubili in solvenți organici, dar sunt insolubili in apa.

Fluorescența. Este proprietatea soluției de pigmenți de a avea culoarea verde privita in lumina directa, prin transparența si culoarea rosie privita prin reflexie. Datorita fluorescenței clorofila transforma radiațiile cu lungime de unda mica in radiații cu lungime de unda mare. Fluorescența cloroplastelor din frunzele vii este mult mai redusa decat cea a soluției de pigmenți, deoarece in stare vie numai o mica parte din pigmenți se gasesc in soluție, cea mai mare parte sunt adsorbiți sau formeaza combinații labile cu substanțe proteice.

Absorbția selectiva a radiatiilor. Solutia de pigmenti fotosintetici absoarbe in mod selectiv radiatiile spectrului vizibil si anume radiatiile rosii, albastre, indigo si violet. Nu sunt absorbite radiatiile verzi, galbene si portocalii, care reprezinta culorile pigmentilor fotosintetici. Clorofila a prezinta o absorbtie maxima a radiatiilor in lungime de unda 672, 683, 700 si respectiv 435 nm, clorofila b prezinta o absorbtie maxima a radiatiilor in lungime de unda 644 si respectiv 453 nm, iar pigmentii carotenoizi prezinta o absorbtie maxima a radiatiilor in lungime de unda 400-480 nm.

Spectrele de absorbtie pot fi situate la spectroscop sau la spectrofotometru.

Proprietatile chimice ale pigmentilor decurg din actiunea acestora cu acizii si cu hidroxizii:

Formarea feofitinei rezulta din reactia clorofilei cu acizi organici sau minerali. Tratarea extractului alcoolic de pigmenti dintr-o eprubeta cu o solutie diluata de HCl determina brunificarea solutiei. In reactie cu acidul, atomul de Mg din molecula clorofilei este inlocuit cu doi atomi de H, rezultand feofitina, o substanta de culoarea bruna.

Saponificarea clorofilei rezulta din reactia cu hidroxizii. Tratarea solutiei de clorofila cu NaOH determina desfacerea moleculei de clorofila in acizi clorofilinici a si b, alcool fitilic si metanol. Acizii clorofilinici formeaza cu atomul de Na saruri, prin reactia de saponificare. Clorofila saponificata isi schimba solubilitatea in solventi organici, fiind solubila in alcool etilic.