Пигменты растений

Хлорофиллы, зеленые пигменты растений, содержатся в зеленых частях растений и являются основными фотосинтетическими пигментами, также используются в качестве биологически активной пищевой добавки (Е141). (Картинка с сайта iwilife.com)

Пигменты – окрашенные органические соединения, присутствующие в клетках и тканях растений. Цвет пигмента определяется наличием в молекуле хромофорной группы, избирательно поглощающей лучи определенной части видимого спектра солнечного света. Представлены современные сведения об основных группах пигментов высших растений и водорослей. Проанализированы эволюция и структурно-функциональное разнообразие пигментов. Рассмотрено участие пигментов в жизнедеятельности растительного организма, особо отмечена роль пигментов (хлорофиллов и каротиноидов) в фотосинтезе – процессе поглощения, трансформации и запасании энергии солнечного света. Показано значение нефотосинтетических пигментов (антоцианов и беталаинов) для защиты и адаптации растений к условиям обитания. Отмечено, что знания о пигментном фонде растений, изменении соотношения его компонентов под воздействием внешних факторов необходимы для разработки путей управления фотосинтетической продуктивностью агроценозов и оценки первичной продуктивности природных экосистем, стока углерода в крупных биомах. Количественный и качественный состав пигментов отражает состояние и физиологический статус растений. Данные о пигментах важны для определения оптимальных сроков созревания и дат сбора урожая сельскохозяйственных культур, верификации спектральных характеристик растительного покрова, полученных методами дистанционного зондирования. Знание биологических и экологических механизмов регуляции и организации пигмент-белковых комплексов представляет особый интерес для создания высокоэффективных, экологически чистых искусственных систем преобразования солнечной энергии в электричество и получения водорода. Авторами дана характеристика пигментов как биологически активных соединений, отмечена потребность человека в богатой каротиноидами, антоцианами и беталаинами пище.

Растения играют фундаментальную (“космическую”, как образно говорил К.А. Тимирязев) роль в поддержании жизни на нашей планете благодаря способности использовать солнечную энергию в процессе фотосинтеза. Процесс фотосинтеза протекает с участием трех основных компонентов фотосинтетического аппарата (ФСА): светособирающей антенны, фотохимических реакционных центров (РЦ) и электрон-транспортных цепей. Оптически активные соединения (пигменты) поглощают кванты света в видимой части спектра (400-700 нм) и передают энергию возбуждения в РЦ.

Структура и функции фотосинтетических пигментов (хлорофиллов, Хл и каротиноидов, Кар) формировались в тесной связи с эволюцией ФСА. Первые фототрофные прокариоты (бактерии), появившиеся около 3 млрд лет назад, содержали оптически активный Mg-порфирин (бактериохлорофилл а) и осуществляли фотосинтез без выделения кислорода. Первыми оксигенными фотосинтетиками считаются цианобактерии, которые содержали хлорофилл а. Сбор и поглощение световой энергии у этих организмов осуществляли фикобилины (тетрапиролльные структуры с открытой цепью), образующие большие антенные комплексы (фикобилисомы).

Эукариоты появились на планете 1.5–1.2 млрд. лет назад в результате эндосимбиоза с цианобактериями. Идея происхождения хлоропластов от предковой цианобактерии выдвинута российским ученым-ботаником К.С. Мережковским в начале прошлого столетия и подтверждена современными данными. В (хлоропластах высших растений присутствуют два хлорофилла (Хл а и b), представляющие собой Mg-содержащие порфирины. Самым распространенным и главным фотосинтетическим пигментом на Земле является хлорофилл а. Хл b отличается от Хл а тем, что во втором пиррольном кольце у третьего атома углерода вместо метильной (СН₃) находится альдегидная (–СНО) группа (рис. 1). Все другие известные виды хлорофиллов (c, d, f) и каротиноиды относят к вспомогательным пигментам, участвующим в поглощении и передаче энергии Хл а в РЦ фотосистем.

Рис. 1. Сверху – структура хлорофиллов: I-IV–нумерация пиррольных колец; снизу – структурные формулы β-каротина и некоторых ксантофиллов. (Иллюстрация из обсуждаемой статьи)

Каротиноиды – это вещества терпеноидной природы, полиеновые соединения с 40 атомами углерода, построенными из восьми С₅-изопреновых единиц. У большого числа Кар цепь по концам молекулы замыкается в два иононовых кольца (см. рис. 1). Различают каротины (α- и β-каротин) и кислородсодержащие ксантофиллы (зеаксантин, виолаксантин, антераксантин, лютеин, неоксантин). Кар выполняют четыре основных функции: светособирающую, антиоксидантную, фотопротекторную и структурную. Ежегодно растительность нашей планеты продуцирует около 10⁵ т каротиноидов. Содержание Кар в листьях в 3–5 раз меньше, чем Хл. Кар более устойчивы к неблагоприятным воздействиям среды, чем Хл , и медленнее разрушаются, что является основной причиной осеннего пожелтения листьев у многих растений.

Растения синтезируют и накапливают множество разных окрашенных соединений, которые не участвуют в фотосинтезе. Считается, что большинство таких пигментов появилось с выходом растений на сушу. Среди них особый интерес представляют антоцианы и беталаины, придающие яркую окраску органам и тканям растений. Антоцианы являются представителями флавоноидов, обширной группы фенольных соединений. Они обнаружены у наземных растений и некоторых водорослей. Беталаины являются соединениями алкалоидной природы и имеют ограниченное распространение. Антоцианы и беталаины выполняют в основном экологические и защитные функции. Они обладают антиоксидантными и фотопротекторными свойствами.

Растительные пигменты проявляют биологическую активность и являются ценным биотехнологическим ресурсом. Известно, что пища, обогащенная каротиноидами, антоцианами и бетацианинами, полезна для здоровья человека. В последнее время появляется все больше сведений и о положительных свойствах хлорофиллов. Это открывает перспективы для использования пигментов в терапевтических целях и для профилактики болезней. Хлорофиллы содержатся в зеленых овощах (петрушка, брокколи, листовой салат, зеленый лук, укроп, бобы, горох и др.), используются в качестве пищевой добавки (Е141). Рекомендуемая суточная доза потребления Хл человеком составляет 100 мг, каротиноидов и других пигментов в 3-5 раз меньше. Растительные пигменты скрывают еще много тайн своего возникновения, предназначения и требуют дальнейшего изучения.

О роли и свойствах пигментов растений читайте на страницах «Журнала общей биологии» и в популярных синопсисах:
Синопсис «Красные пигменты – помощники и защитники фотосистем высших растений» и синопсис от авторов к статье ЖОБ, т. 81, №4.
Синопсис «Чувствительные растения тоже краснеют» к статье ЖОБ, т. 77, №6.
Синопсис «Тестирование флуоресцентного метода определения реактивности фотосинтетического аппарата» к статье ЖОБ, т. 80, №3.