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.

bg‑lime

Chlorofile

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.

R15jxX9948w8R1
Widmo absorpcyjne chlorofilu.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.

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.

R1165iwaYC2Dl1
Ilustracja interaktywna Ilustracja przedstawiająca strukturę chlorofili, będących związkami kompleksowymi. Atom centralny stanowi magnez na drugim stopniu utlenienia. Związany jest on z czterema pierścieniami pirolu, czyli heteroaromatycznymi pięcioczłonowymi pierścieniami z wbudowanym atomem azotu oraz dwoma wiązaniami podwójnymi pomiędzy atomami węgla. Pierścienie pirolowe połączone są ze sobą mostkami metinowymi, to jest grupami CH, od których z jednej strony odchodzi wiązanie pojedyncze, zaś z drugiej podwójne. Pierścienie pirolowe są modyfikowane różnymi grupami, w tym grupami metylowymi, etylowymi, winylowymi, pierścieniem 2-karkoksylocyklopentanonu metylu, a także łańcuchem fitolowym, to jest 2E,7R,11R-3,7,11,15-tetrametylo-2-heksadeken-1-olu. W przypadku chlorofilu A podstawnikiem przy jednym z pierścieni pirolowych jest grupa metylowa, zaś dla chlorofilu b jest to grupa aldehydowa CHO. 1. Układ porfirynowy Zbudowany jest z 4 pierścieni pirolowych. Pomiędzy atomami tworzącymi pierścień kształtują się naprzemiennie ułożone wiązania pojedyncze i podwójne, formujące tzw. układ wiązań sprzężonych, zdolny do absorpcji promieniowania świetlnego. W centrum układu porfirynowego znajduje się atom magnezu połączony z atomami azotu pierścieni pirolowych. Elektrony porfiryny ulegają wzbudzeniu pod wpływem światła absorbowanego przez układ wiązań sprzężonych., 2. Fitol Alkohol zbudowany z 20 atomów węgla. Wykazuje właściwości hydrofobowe, dzięki czemu wnika w dwuwarstwę fosfolipidową i zakotwicza cząsteczkę barwnika w błonie fotosyntetycznej., 3. Grupa metylowa Charakterystyczna dla chlorofilu a., 4. Grupa aldehydowa Charakterystyczna dla chlorofilu b.
Budowa cząsteczki chlorofilu.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.
bg‑lime

Bakteriochlorofile

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.

R18yQrATfRCKF1
Budowa cząsteczki bakteriochlorofilu a.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.
bg‑lime

Karotenoidy

RS4f8E74gqkAS1
Karotenoidy występują m.in. w liściach roślin, jednak ich obecność jest maskowana dużą ilością zielonych barwników chlorofilowych. Uwidaczniają się jesienią, gdy cząsteczki chlorofilu ulegają enzymatycznemu rozkładowi.
Źródło: Pixabay, domena publiczna.

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
Budowa cząsteczki beta‑karotenu.
Źródło: Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.
REZZMW9KuOHLj1
Beta‑karoten nadaje barwę korzeniom marchwi. Związek ten jest prowitaminą, z której organizm człowieka (w komórkach nabłonka jelita cienkiego) syntetyzuje witaminę A, niezbędną w procesie widzenia.
Źródło: Larsinio, Wikimedia Commons, domena publiczna.
bg‑lime

Fikobiliny

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
Budowa cząsteczki fikocyjanobiliny.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.

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.

bg‑gray2

Główne i dodatkowe barwniki fotosyntetyczne

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.

bg‑lime

Lokalizacja barwników fotosyntetycznych

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.

RiCWMS7kDdxor
Schemat przedstawia model struktury fikobilisomu. Cyframi oznaczono poszczególne elementy. Numerem pierwszym fikoerytrynę. Ma budowę podwójnych pierścieni występujących na sześciu rozgałęzieniach, będących antenami tej struktury białkowej. Numerem drugim oznaczono fikocyjaninę, która znajduje się pod fikoerytryną na rozgałęzieniach. Też ma postać podwójnych pierścieni koloru niebieskiego. Numerem trzecim allofikocyjaninę. Ten element składowy struktury ma kształt pierścieni barwy szarej. To trzy znajdujące się na sobie koła. Stanowią trzon struktury. Leżą na dwóch zielonych kwadratach. Te kwadraty to fotosystem PS II. Są zbiorem pigmentów chlorofilu, absorbujących głównie długość fali światła przy sześciuset osiemdziesięciu nanometrach. Wszystkie pierścienie fikobilisomu w swoim wnętrzu mają mniejsze czarne kuliste elementy. Przekazanie energii z anten absorbujących światło do centrum reakcji dokonuje się w czasie krótszym niż sto pikosekund.
Model struktury fikobilisomu.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

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
Budowa fotosystemu.
Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

dodatkowy barwnik fotosyntetyczny
dodatkowy barwnik fotosyntetyczny

barwnik fotosyntetyczny wchodzący w skład układu antenowego fotosystemu, którego cząsteczki pochłaniają fotony, a energię wzbudzenia przekazują do centrum reakcji

fotooksydacja
fotooksydacja

proces przeniesienia elektronu lub energii z cząsteczki barwnika absorbującego promieniowanie świetlne na inną cząsteczkę chemiczną; jest mechanizmem powstawania w organizmach żywych reaktywnych form tlenu, będących przyczyną stresu oksydacyjnego i uszkodzenia związków chemicznych obecnych w komórkach

fotosynteza
fotosynteza

(gr. fos – światło; synthesis – łączenie) proces metaboliczny zachodzący u organizmów samożywnych, polegający na wytwarzaniu złożonych związków organicznych z prostych związków nieorganicznych przy udziale energii świetlnej i w obecności barwników fotosyntetycznych

główny barwnik fotosyntetyczny
główny barwnik fotosyntetyczny

barwnik fotosyntetyczny znajdujący się w centrum reakcji fotosystemu, którego cząsteczki pod wpływem energii pochłoniętych fotonów ulegają wzbudzeniu i uwalniają elektrony

izopren
izopren

CIndeks dolny 5HIndeks dolny 8; organiczny związek chemiczny zaliczany do węglowodorów nienasyconych

komórka eukariotyczna
komórka eukariotyczna

typ komórki, której informacja genetyczna jest oddzielona od reszty cytoplazmy za pomocą otoczki jądrowej; wewnątrz komórki obecny jest system błon wewnątrzkomórkowych (siateczka śródplazmatyczna szorstka i gładka, aparaty Golgiego, lizosomy, mikrociałka), organelle półautonomiczne (mitochondria, chloroplasty) i cytoszkielet

komórka prokariotyczna
komórka prokariotyczna

typ komórki, której informacja genetyczna leży bezpośrednio na terenie cytoplazmy i nie jest od niej oddzielona; komórki te nie mają systemu błon wewnątrzkomórkowych i cytoszkieletu

polimer
polimer

związek chemiczny o dużej masie cząsteczkowej zbudowany ze stale powtarzającego się elementu – monomeru

światło widzialne
światło widzialne

część promieniowania elektromagnetycznego z zakresu 380–750 nm, na który wrażliwe są komórki światłoczułe siatkówki ludzkiego oka

układ antenowy
układ antenowy

kompleks białek i barwników fotosyntetycznych, który absorbuje kwanty światła i przekazuje ich energię do centrów reakcji fotosystemów