Barwniki fotosyntetyczne to organiczne związki chemiczne uczestniczące w procesie fotosyntezyfotosyntezafotosyntezy. Odpowiedzialne są za pochłanianie (inaczej: absorpcję) promieniowania elektromagnetycznego w zakresie światła widzialnego i uwalnianie elektronów. Dzieli się je na: chlorofile i bakteriochlorofile, karotenoidy i fikobiliny. Różnią się one budową, zakresem absorbowanego światła widzialnego oraz pełnionymi funkcjami.

Chlorofile to zielone barwniki pochłaniające światło widzialne w zakresie fal niebieskich i czerwonych. Światło w zakresie fal zielonych ulega jedynie odbiciu od cząsteczek barwnika – właśnie to sprawia, że rośliny są zielone.

Chlorofile nie są jednorodną grupą barwników fotosyntetycznych – wyróżnia się kilka ich rodzajów: a, b, c, d oraz barwniki pokrewne, takie jak bakteriochlorofile: a, b, c, d, e i g. Głównymi barwnikami fotosyntetycznymigłówny barwnik fotosyntetycznyGłównymi barwnikami fotosyntetycznymi są chlorofil a oraz bakteriochlorofil a. Pozostałe rodzaje chlorofili i bakteriochlorofili są barwnikami dodatkowymidodatkowy barwnik fotosyntetycznybarwnikami dodatkowymi i pełnią funkcje pomocnicze w fotosyntezie.

Chlorofil a występuje w komórkach sinic, protistów roślinopodobnych i roślin.

Bakteriochlorofil a występuje w komórkach bakterii zielonych i purpurowych. Jego budowa przypomina strukturę chlorofilu. Różnice dotyczą niewielkich modyfikacji w układzie porfirynowym i rodzaju alkoholu, którym może być fitol lub geranylogeraniol.

RS4f8E74gqkAS1

Zdjęcie przedstawia wielobarwny liść klonu. Liść jest duży, ma dłoniasty kształt. Ząbkowane, powcinane brzegi. Jest zielony, ale ma żółte, brązowe i czerwone plamki. To znak, że przyszła jesień. Gdy dni stają się coraz chłodniejsze i krótsze ilość chlorofilu w liściach zmniejsza się, co pozwala zaobserwować efekty działania innych barwników wcześniej zdominowanych przez chlorofil.

Karotenoidy to żółte, pomarańczowe i czerwone barwniki będące polimeramipolimerpolimerami izoprenuizoprenizoprenu. W cząsteczce barwnika obecne są dwa pierścienie cykloheksylowe połączone długim łańcuchem węglowym, w którym występuje układ sprzężonych wiązań podwójnych.

Karotenoidy są dodatkowymi barwnikami fotosyntetycznymi, które absorbują światło widzialne w zakresie fal fioletowych i niebieskich. Oprócz tego nadają barwę kwiatom, owocom i nasionom. Do karotenoidów zalicza się: ksantofile – barwniki żółte i karoteny – barwniki pomarańczowe i czerwone.

R1KXVO0HoyUAI

Wzór chemiczny przedstawia budowę cząsteczki beta karotenu. Zbudowany jest z czterdziestu atomów węgla, przy czym zawiera jedenaście sprzężonych podwójnych wiązań oraz dwa niesprzężone. Każdy węgiel jest połączony z trzema atomami wodoru.

Fikobiliny to niebieskie i czerwone barwniki rozpuszczalne w wodzie, występujące u sinic i krasnorostów. Ich struktura przypomina budowę bilirubiny – barwnika występującego w żółci (substancji produkowanej i wydzielanej przez wątrobę). W cząsteczce fikobiliny obecny jest łańcuch zbudowany z czterech pierścieni pirolowych.

R1oHyyeQW2ZMt

Wzór chemiczny przedstawia budowę cząsteczki fikocyjanobiliny. Fikobiliny zbudowane są na podstawie szkieletu tetrapirolowego – otwartego łańcucha czterech pierścieni pirolowych.

Fikobiliny są dodatkowymi barwnikami fotosyntetycznymi, które absorbują światło widzialne w zakresie fal zielonych, żółtych, pomarańczowych i czerwonych. Barwniki te łączą się z białkami, tworząc kompleksy: niebieski – fikocyjaninę i czerwony – fikoerytrynę.

Cząsteczki chlorofilu a i bakteriochlorofilu a, czyli głównych barwników fotosyntetycznych, są zdolne do uwalniania elektronów pod wpływem absorbowanego światła. Chlorofile b, c oraz d, karotenoidy i fikobiliny pełnią funkcję barwników pomocniczych, które tworząc tzw. układ antenowyukład antenowyukład antenowy wychwytują energię świetlną i przekazują ją do centrów reakcji fotosystemów, tworzonych przez cząsteczki chlorofilu a. Barwniki dodatkowe absorbują światło widzialne o innej długości fali niż główne barwniki fotosyntetyczne, dzięki czemu organizmy fotoautotroficzne mogą wykorzystywać do fotosyntezy szersze spektrum światła widzialnego. Ponadto karotenoidy spełniają funkcje ochronne, przeciwdziałając fotooksydacjifotooksydacjafotooksydacji całego aparatu fotosyntetycznego.

W komórkach prokariotycznychkomórka prokariotycznakomórkach prokariotycznych barwniki fotosyntetyczne zlokalizowane są: w chlorosomach – u bakterii zielonych, chromatoforach – u bakterii purpurowych lub tylakoidach – u sinic.

Chlorosomy są pęcherzykowatymi strukturami połączonymi z błoną komórkową. Pełnią funkcję anten wychwytujących światło i przekazujących jego energię na bakteriochlorofil a, będący centrum reakcji wbudowanym w błonę komórkową. Podobną strukturę mają chromatofory.

Z kolei tylakoidy są wydłużonymi i spłaszczonymi błoniastymi strukturami, w które wbudowane są fikobilisomy – kompleksy składające się z barwników (fikobilin) i białek. Pełnią one funkcję anteny absorbującej światło i przekazującej jego energię do centrum aktywnego w fotosystemie PSII, w którym znajdują się cząsteczki chlorofilu a.

W komórkach eukariotycznychkomórka eukariotycznakomórkach eukariotycznych fotosynteza zachodzi w chloroplastach. W błony tylakoidów gran wbudowane są fotosystemy PS I i PS II oraz system białkowych przenośników elektronów i protonów.

R1cVH4sDEXSiu

Rysunek przedstawia budowę fotosystemu. Fotoukład tworzą centrum reakcji fotoukładu oraz towarzyszące mu układy antenowe absorbujące kwanty światła, czyli fotony i przekazujące energię do centrum reakcji. W centrum reakcji z dimera chlorofilu a wybijany jest elektron i przekazywany na kolejne przenośniki elektronów. Centrum układu reakcji na rysunku ma prostopadłościenny kształt. We wnętrzu centrum reakcji znajdują się kuliste, zielone cząsteczki chlorofilu zawierające barwniki fotosyntetyczne. Wchodzą w skład układu antenowego fotosystemu, którego cząsteczki pochłaniają fotony, a energię wzbudzenia przekazują do centrum reakcji. Centrum reakcji zakończone jest półokrągłymi systemami antenowymi z pierwotnym akceptorem elektronów o prostokątnym kształcie. Centrum znajduje się w błonie tylakoidu. Na rysunku błona składa się z dwóch, podwójnych warstw cząsteczkowych. Każda cząsteczka ma parę nitkowatych wypustek.

Słownik