В какой части хлоропласта находятся молекулы хлорофилла кратко

Обновлено: 02.07.2024

В хлорофилл это биологический пигмент, который указывает на то, что это молекула, способная поглощать свет. Эта молекула поглощает волны с длиной волны, соответствующей фиолетовому, синему и красному цветам, и отражает свет зеленого цвета. Следовательно, присутствие хлорофилла отвечает за зеленый цвет растений.

Его структура состоит из порфиринового кольца с магниевым центром и гидрофобного хвоста, называемого фитолом. Необходимо отметить структурное сходство хлорофилла с молекулой гемоглобина.

Хлорофилл находится в тилакоидах, мембранных структурах, которые находятся внутри хлоропластов. Хлоропластов много в листьях и других структурах растений.

Основная функция хлорофилла - улавливать свет, который будет использоваться для фотосинтетических реакций. Существуют разные типы хлорофилла, наиболее распространенным из которых является чтобы - которые немного различаются по своей структуре и пику поглощения, чтобы увеличить количество поглощаемого солнечного света.

Историческая перспектива

В 1851 году Вердей предложил структурное сходство между хлорофиллом и гемоглобином. В то время это сходство было преувеличенным и предполагалось, что атом железа также находится в центре молекулы хлорофилла. Позже было подтверждено присутствие магния в качестве центрального атома.

Различные типы хлорофилла были открыты в 1882 году Бородиным с использованием данных, полученных под микроскопом.

Пигменты

Что такое свет

Ключевым моментом для фотосинтезирующих живых организмов, чтобы иметь возможность использовать световую энергию, является ее поглощение. Молекулы, выполняющие эту функцию, называются пигменты и они присутствуют в растениях и водорослях.

Чтобы лучше понять эти реакции, необходимо знать некоторые аспекты, связанные с природой света.

Свет определяется как тип электромагнитного излучения, форма энергии. Это излучение понимается как волна и как частица. Одна из характеристик электромагнитного излучения - длина волны, выраженная как расстояние между двумя последовательными гребнями.

Человеческий глаз может воспринимать длину волны от 400 до 710 нанометров (нм = 10 -9 м). Короткие волны связаны с большим количеством энергии. Солнечный свет включает белый свет, который состоит из всех длин волн в видимой части.

Что касается природы частицы, физики описывают фотоны как дискретные пакеты энергии. Каждая из этих частиц имеет характерную длину волны и уровень энергии.

Когда фотон попадает в объект, могут произойти три вещи: он поглощается, проходит или отражается.

Почему хлорофилл зеленый?

Не все пигменты ведут себя одинаково. Поглощение света - это явление, которое может происходить на разных длинах волн, и каждый пигмент имеет свой спектр поглощения.

Поглощенная длина волны будет определять цвет, в котором мы будем визуализировать пигмент. Например, если он поглощает свет на всей своей длине, мы увидим пигмент полностью черным. Те, что не впитывают всю длину, отражают остальное.

В случае хлорофилла он поглощает волны с длиной волны, соответствующей фиолетовому, синему и красному цветам, и отражает зеленый свет. Это пигмент, придающий растениям характерный зеленый цвет.

Хлорофилл - не единственный пигмент в природе

Хотя хлорофилл является одним из наиболее известных пигментов, существуют и другие группы биологических пигментов, таких как каротиноиды, которые имеют красноватый или оранжевый оттенок. Следовательно, они поглощают свет с длиной волны, отличной от длины волны хлорофилла, и служат экраном для передачи энергии хлорофиллу.

Кроме того, некоторые каротиноиды обладают фотозащитными функциями: они поглощают и рассеивают световую энергию, которая может повредить хлорофилл; или реагируют с кислородом и образуют окислительные молекулы, которые могут повредить клеточные структуры.

Характеристики и состав

Хлорофиллы - это биологические пигменты, которые человеческий глаз воспринимает как зеленые и которые участвуют в фотосинтезе. Мы находим их в растениях и других организмах, обладающих способностью преобразовывать энергию света в химическую энергию.

По химическому составу хлорофиллы представляют собой порфирины магния. Они очень похожи на молекулу гемоглобина, отвечающую за перенос кислорода в нашей крови. Обе молекулы различаются только типами и расположением групп заместителей в тетрапиррольном кольце.

Металлом порфиринового кольца в гемоглобине является железо, а в хлорофилле - магний.

Боковая цепь хлорофилла по своей природе гидрофобна или неполярна и состоит из четырех изопреноидных единиц, называемых фитолом. Он этерифицирован с группой пропионовой кислоты в четвертом кольце.

Если хлорофилл подвергается тепловой обработке, раствор приобретает кислый pH, что приводит к удалению атома магния из центра кольца. Если нагрев продолжается или раствор еще больше снижает pH, фитол в конечном итоге гидролизуется.

Место расположения

Хлорофилл - один из наиболее широко распространенных природных пигментов, и мы находим его в различных линиях фотосинтетической жизни. В структуре растений мы находим его главным образом в листьях и других зеленых структурах.

Если перейти к микроскопическому обзору, хлорофилл находится внутри клеток, особенно в хлоропластах. В свою очередь, внутри хлоропластов есть структуры, образованные двойными мембранами, называемыми тилакоидами, которые содержат внутри хлорофилл, а также другие количества липидов и белков.

Тилакоиды - это структуры, которые напоминают несколько сложенных друг на друга дисков или монет, и это очень компактное расположение абсолютно необходимо для фотосинтетической функции молекул хлорофилла.

В прокариотических организмах, осуществляющих фотосинтез, нет хлоропластов. По этой причине тилакоиды, содержащие фотосинтетические пигменты, наблюдаются как часть клеточной мембраны, изолированной внутри цитоплазмы клетки, или они создают структуру во внутренней мембране - закономерность, наблюдаемая у цианобактерий.

Типы

Хлорофилл а

Существует несколько типов хлорофиллов, которые немного различаются по молекулярной структуре и их распределению в фотосинтетических линиях. То есть некоторые организмы содержат определенные типы хлорофилла, а другие нет.

Основной тип хлорофилла называется хлорофиллом А, и в линии растений пигмент заряжается непосредственно в процессе фотосинтеза и превращает световую энергию в химическую.

Хлорофилл b

Второй тип хлорофилла - это b, он также присутствует в растениях. Структурно он отличается от хлорофилла а, поскольку последний имеет метильную группу при углероде 3 кольца с номером II, а тип b содержит формильную группу в этом положении.

Он считается дополнительным пигментом, и благодаря структурным различиям они имеют немного другой спектр поглощения, чем вариант а. В результате этого свойства они различаются по цвету: хлорофилл a сине-зеленый, а b желто-зеленый.

Идея этих дифференциальных спектров состоит в том, что обе молекулы дополняют друг друга в поглощении света и могут увеличить количество световой энергии, которая поступает в фотосинтетическую систему (так что спектр поглощения расширяется).

Хлорофилл c и d

Существует третий тип хлорофилла, c, который мы находим в бурых водорослях, диатомовых водорослях и динофлагеллятах. В случае цианофитных водорослей они обладают только хлорофиллом типа А. Наконец, хлорофилл d содержится в некоторых протистических организмах, а также в цианобактериях.

Хлорофилл в бактериях

Есть ряд бактерий, способных к фотосинтезу. В этих организмах есть хлорофиллы, вместе называемые бактериохлорофиллами, и, как и хлорофиллы эукариот, они классифицируются по буквам: a, b, c, d, e и g.

Исторически использовалась идея, что молекула хлорофилла появилась первой в ходе эволюции. Сегодня, благодаря анализу последовательности, было высказано предположение, что предковая молекула хлорофилла, вероятно, была похожа на бактериохлорофилл.

Характеристики

Молекула хлорофилла является важным элементом фотосинтезирующих организмов, поскольку отвечает за поглощение света.

Фотосистемы различаются в основном пиком поглощения молекулы хлорофилла: фотосистема I имеет пик при 700 нм, а фотосистема II - при 680 нм.

Таким образом, хлорофилл выполняет свою роль в улавливании света, который благодаря сложной ферментативной батарее будет преобразован в химическую энергию, хранящуюся в таких молекулах, как углеводы.

Хлоропласты являются одним из видов пластид. Хлоропласты имеют зеленый цвет за счет преобладающего в них пигмента хлорофилла. Основная их функция — фотосинтез.

Количество данных органоидов в клетке варьирует. У некоторых водорослей в клетках содержится одни большой хлоропласт, часто причудливой формы. У высших растений их множество, особенно в мезофильной ткани листьев, где количество может достигать сотни штук на клетку.

У высших растений размер органоида около 5 мкм, форма округлая слегка вытянутая в одном направлении.

Хлоропласты в клетках развиваются из пропластид или путем деления надвое ранее существующих.

Строение хлоропласта

В строении хлоропластов выделяют внешнюю и внутреннюю мембраны, межмембранное пространство, строму, тилакоиды, граны, ламеллы, люмен.

Тилакоид представляет собой ограниченное мембраной пространство в форме приплюснутого диска. Тилакоиды в хлоропластах объединяются в стопки, которые называют гранами. Граны связаны между собой удлиненными тилакоидами — ламеллами.

Полужидкое содержимое хлоропласта называется стромой. В ней находятся его ДНК и РНК, рибосомы, обеспечивающие полуавтономность органоида (см. Симбиогенез).

Также в строме находятся зерна крахмала. Они образуются при избытке углеводов, образовавшихся при фотосинтетической активности. Жировые капли обычно формируются из мембран разрушающихся тилакоидов.

Функции хлоропластов

Основная функция хлоропластов — это фотосинтез — синтез глюкозы из углекислого газа и воды за счет солнечной энергии, которая улавливается хлорофиллом. В качестве побочного продукта фотосинтеза выделяется кислород. Однако процесс этот сложный и многоступенчатый, при котором синтезируются и побочные продукты, использующиеся как в самом хлоропласте, так и в остальных частях клетки.

Основным фотосинтетическим пигментом является хлорофилл. Он существует в нескольких разных формах. Кроме хлорофилла в фотосинтезе принимают участие пигменты каротиноиды.

Пигменты локализованы в мембранах тилакоидов, здесь протекают световые реакции фотосинтеза. Кроме пигментов здесь присутствуют ферменты и переносчики электронов. Хлоропласты стараются расположиться в клетке так, чтобы их тилакоидные мембраны находились под прямым углом к солнечному свету.

Хлорофилл состоит из длинного углеводного кольца и порфириновой головки. Хвост гидрофобен и погружен в липидный слой мембран тилакоидов. Головка гидрофильна и обращена к строме. Энергия света поглощается именно головкой, что приводит к возбуждению электронов.

Электрон отделяется от молекулы хлорофилла, который после этого становится электроположительным, т. е. оказывается в окисленной форме. Электрон принимается переносчиком, которые передает его на другое вещество.

Разные виды хлорофилла отличаются между собой несколько различным спектром поглощения солнечного света. Больше всего в растениях хлорофилла А.

В строме хлоропласта происходят темновые реакции фотосинтеза. Здесь находятся ферменты цикла Кальвина и другие.

Хлоропласты – двухмембранные органоиды растительных клеток, именно они играют ключевую роль в одном из самых важных биологических процессов в природе – фотосинтезе. В частности именно хлоропласты в процессе фотосинтеза выделяют зеленый пигмент хлорофилл, благодаря которому листья деревьев приобретают зеленый цвет (впрочем, не только листья, но и многие другие представители растительного мира, например водоросли). Какое строение хлоропластов, какие функции и процессы они осуществляются в жизнедеятельности клетки, об этом читайте далее.

Количество хлоропластов в растительной клетке может быть разным, у некоторых водорослей в клетке содержится лишь один большой хлоропласт, часто причудливой формы, в то время как в клетках некоторых высших растений находится множество хлоропластов. Особенно их много в так званных мезофильных тканях листьев, там одна клетка может иметь в себе до сотни хлоропластов.

Строение

Устройство хлоропласта включает в себя внутреннюю и внешнюю мембрану, (как и в клетке, они играют роль защитного барьера), межмембранное пространство, строму, тилакоиды, граны, ламеллы, люмен.

Вот так строение хлоропласта выглядит на картинке.

Как видим с картинки внутри хлоропласта имеется полужидкое пространство, именуемое стромой и приплюснутые диски – это тилакоиды. Последние объединены в стопки, названные гранамы, и сами граны соединены друг с другом при помощи длинных тилакоид, которые называют ламеллами. Именно в тилакоидах находится важный зеленый пигмент – хлорофилл.

В полужидкой строме хлоропласта находятся его молекулы ДНК и РНК, а также рибосомы, обеспечивающие этому важному органоиду некую автономность внутри клетки. Помимо этого в строме хлоропласта есть зерна крахмала, которые образуются при избытке углеводов, образованных при фотосинтетической активности.

Функции

Основным фотосинтезирующим пигментом в этом процессе является хлорофилл, локализированный в мембранах тилакоидов, именно здесь проходят световые реакции фотосинтеза. Кроме хлорофилла тут же присутствуют ферменты и переносчики электронов.

Интересный факт: хлоропласты стараются расположиться в клетке таким образом, чтобы их тилакоидные мембраны находились под прямым углом к солнечному свету. Или говоря простым языком, хлоропласты в клетке всегда тянутся на свет.

Строение хлорофилла

Что же касается строения самого хлорофилла, то он состоит из длинного углеводного хвоста и порфириновой головки. Хвост его гидрофобен, то есть боится влаги, поэтому погружен в тилакоид, головка наоборот любит влагу и находится в жидкой субстанции хлоропласта – строме. Поглощение солнечного света осуществляется именно головкой хлорофилла.

К слову биологами различается несколько разных видов хлорофилла: хлорофилл a, хлорофилл b, хлорофилл c1, хлорофилл c2 и так далее, все они обладают разным спектром поглощения солнечного света. Но больше всего в растениях именно хлорофилла а.

Фотосинтез у высших зеленых растений протекает в специализированных внутриклеточных органеллах — хлоропластах, способных доставлять энергию для метаболических процессов только в дневные часы.

Среди светособирающих первостепенная роль принадлежит двум молекулярным формам хлорофилла – а и b (рис. 34).

Рис. 34. Строение хлорофиллов a и b

В молекуле хлорофилла, присутствующего в хлоропластах клеток зеленых растений, содержится четыре пирольных кольца (I—IV), одно из которых (IV) находится в восстановленной форме. Имеется еще и V непирольное кольцо. Длинная изопреноидная боковая цепь в молекуле хлорофилла представляет собой остаток спирта фитола С₂₀Н₃₉ОН — производного ненасыщенного углеводорода изопрена, который присоединен сложноэфирной связью к карбоксильной группе заместителя в кольце IV. Четыре центральных атома азота в молекуле хлорофилла координационно связаны с ионом Мg 2+ двумя основными и двумя наведенными дополнительными валентностями.

По своей химической природе хлорофилл представляет собой сложный эфир двухосновной кислоты и двух спиртов — метилового и фитола. Остаток фитола придает молекуле хлорофилла липидные свойства и обеспечивает закрепление и ориентацию его в природной тилакоидной мембране хлоропласта.

Хлорофилл при гидролизе омыляется с образованием щелочных солей хлорофилла и спиртов. При действии слабых кислот ион магния вытесняется из центра порфиринового ядра и замещается водородом. В результате образуется соединение бурого цвета, которое называется феофитином.

В фотосинтезирующих клетках высших растений всегда присутствуют хлорофиллы нескольких типов, важнейшие из которых хлорофиллы а (С₅₅Н₇₂О₅N₄Mg) и b (С₅₅Н₇₀О₆N₄Мg), отличающиеся только тем, что у хлорофилла b вместо метильной в кольце II содержится формильная группа (О=С—Н). Хотя хлорофиллы а и b окрашены в зеленый цвет, их спектры поглощения несколько различаются. У большей части высших зеленых растений количество хлорофилла а примерно вдвое превышает количество хлорофилла b.

Относительное содержание хлорофиллов и каротиноидов у разных видов растений заметно варьирует. Именно от их соотношения зависит характерная окраска фотосинтезирующих клеток. Содержание хлорофилла на сухой вес растения составляет примерно 1%.

Система из пяти колец, образующая кольцо больших размеров вокруг атома Мg 2+ , придает молекуле способность поглощать свет. Атом магния собирает молекулы хлорофилла в ассоциации, что облегчает более полное улавливание света.

В тилакоидных мембранах хлоропластов кроме хлорофилла присутствуют также и вспомогательные светопоглощающие пигменты – каротиноиды, окрашенные в желтый, оранжевый или красный цвет. Среди них наиболее важные – красный пигмент b-каротин (провитамин А) и желтый пигмент ксантофилл, или лютеин. Он является главным ксантофиллом листьев.

Каротиноиды поглощают свет в ином диапазоне, нежели хлорофиллы, поэтому они функционируют как световые рецепторы, дополняющие хлорофиллы.

Среди светособирающих первостепенная роль принадлежит двум молекулярным формам хлорофилла – а и b (рис. 34).

Рис. 34. Строение хлорофиллов a и b

Читайте также: