פיגמנטים פוטוסינתטיים: מאפיינים וסוגים עיקריים - ביולוגיה - 2025

פיגמנטים פוטוסינתטיים הם תרכובות כימיות לקלוט ולשקף אורכי גל מסוימים של האור הנראה, מה שהופך אותם מופיעים "צבעוני". לסוגים שונים של צמחים, אצות וצינו-בקטריות יש פיגמנטים פוטוסינתטיים, הסופגים באורכי גל שונים ומייצרים צבעים שונים, בעיקר ירוק, צהוב ואדום.

פיגמנטים אלה נחוצים עבור כמה אורגניזמים אוטוטרופיים, כמו צמחים, מכיוון שהם עוזרים להם לנצל מגוון רחב של אורכי גל כדי לייצר את מזונם בפוטוסינתזה. מכיוון שכל פיגמנט מגיב רק באורכי גל מסוימים, ישנם פיגמנטים שונים המאפשרים לכידת יותר אור (פוטונים).

מאפיינים

כאמור, פיגמנטים פוטוסינתטיים הם יסודות כימיים האחראים לקליטת האור הדרוש לתהליך הפוטוסינתזה. באמצעות פוטוסינתזה, האנרגיה מהשמש מומרת לאנרגיה כימית וסוכרים.

אור השמש מורכב מאורכי גל שונים, בעלי צבעים ורמות אנרגיה שונות. לא כל אורכי הגל משמשים באופן שווה בפוטוסינתזה, וזו הסיבה שיש סוגים שונים של פיגמנטים פוטוסינתטיים.

אורגניזמים פוטוסינתטיים מכילים פיגמנטים הסופגים רק את אורכי הגל של האור הנראה ומשקפים אחרים. מערך אורכי הגל שנספג על ידי פיגמנט הוא ספקטרום הקליטה שלו.

פיגמנט קולט אורכי גל מסוימים, ואלו שהוא אינו סופג משתקפים; הצבע הוא פשוט האור המוחזר על ידי הפיגמנטים. לדוגמא, צמחים נראים ירוקים מכיוון שהם מכילים מולקולות כלורופיל a ו- b רבות המשקפות אור ירוק.

סוגי פיגמנטים פוטוסינתטיים

ניתן לחלק פיגמנטים פוטוסינתטיים לשלושה סוגים: כלורופיליות, קרוטנואידים ופיקובילינים.

כלורופיליות

כלורופיליות הן פיגמנטים פוטוסינתטיים ירוקים המכילים טבעת פורפירין במבנה שלהם. מדובר במולקולות יציבות בצורת טבעת שסביבן האלקטרונים חופשיים לנדוד.

מכיוון שאלקטרונים נעים בחופשיות, לטבעת יש פוטנציאל להשיג או לאבד אלקטרונים בקלות ולכן יש פוטנציאל לספק אלקטרונים מלאי אנרגיה למולקולות אחרות. זהו התהליך הבסיסי בו הכלורופיל "לוכד" אנרגיה מאור השמש.

סוגי כלורופיליות

ישנם כמה סוגים של כלורופיל: a, b, c, d, ו- e. מבין אלה, רק שניים נמצאים בכלורופלסטים של צמחים גבוהים יותר: כלורופיל a וכלורופיל ב. החשוב ביותר הוא הכלורופיל "א", כפי שהוא קיים בצמחים, אצות וצינו-בקטריות פוטוסינתטיות.

הכלורופיל "א" מאפשר פוטוסינתזה על ידי העברת האלקטרונים המופעלים שלה למולקולות אחרות שיעשו סוכרים.

סוג שני של כלורופיל הוא הכלורופיל "ב", שנמצא רק במה שמכונה אצות ירוקות וצמחים. מצדו, הכלורופיל "ג" נמצא רק בחברים הפוטוסינתטיים בקבוצת הכרומיסטה, כמו דינופלגלטים.

ההבדלים בין הכלורופילים בקבוצות עיקריות אלה היו אחד הסימנים הראשונים לכך שהם אינם קשורים זה לזה כמו שחשבו בעבר.

כמות הכלורופיל "ב" היא כרבע מתכולת הכלורופיל. מצידו, הכלורופיל "a" נמצא בכל הצמחים הפוטוסינתטיים, וזו הסיבה שהוא נקרא פיגמנט פוטוסינתטי אוניברסלי. זה נקרא גם פיגמנט פוטוסינתטי ראשוני מכיוון שהוא מבצע את התגובה הראשונית של הפוטוסינתזה.

מבין כל הפיגמנטים המשתתפים בפוטוסינתזה, לכלורופיל ממלא תפקיד מהותי. מסיבה זו, שאר הפיגמנטים הפוטוסינתטיים ידועים כפיגמנטים אביזרים.

השימוש בפיגמנטים אביזרים מאפשרים לו לספוג מגוון רחב יותר של אורכי גל ולכן לוכד יותר אנרגיה מאור השמש.

קרוטנואידים

קרוטנואידים הם קבוצה חשובה נוספת של פיגמנטים פוטוסינתטיים. אלה סופגים אור סגול וכחול-ירוק.

הקרוטנואידים מספקים את הצבעים הבהירים שהפירות מציגים; לדוגמא, האדום שבעגבנייה נובע מהימצאותו של ליקופן, הצהוב בזרעי התירס נגרם על ידי זקסנטין, והתפוז בקליפות התפוז נובע מ ß- קרוטן.

כל הקרוטנואידים הללו חשובים במשיכת בעלי חיים וקידום פיזור זרעי הצמח.

כמו כל הפיגמנטים הפוטוסינתטיים, הקרוטנואידים עוזרים ללכידת אור אך הם משמשים גם לתפקיד חשוב נוסף: ביטול עודף אנרגיה מהשמש.

לפיכך, אם עלה מקבל כמות גדולה של אנרגיה ואנרגיה זו אינה מנוצלת, עודף זה יכול לפגוע במולקולות של המתחם הפוטוסינתטי. הקרוטנואידים מעורבים בקליטת אנרגיה עודפת ועוזרים להפיץ אותה כחום.

קרוטנואידים הם בדרך כלל פיגמנטים אדומים, כתומים או צהובים וכוללים את הקרוטן המורכב הידוע, המעניק לגזר את צבעם. תרכובות אלה מורכבות משתי טבעות קטנות של שישה פחמן המחוברות באמצעות "שרשרת" של אטומי פחמן.

כתוצאה מהמבנה המולקולרי שלהם, הם אינם מתמוססים במים אלא נקשרים לקרומים בתוך התא.

קרוטנואידים אינם יכולים להשתמש ישירות באנרגיית האור לצורך פוטוסינתזה, אלא חייבים להעביר את האנרגיה הספוגה לכלורופיל. מסיבה זו הם נחשבים לפיגמנטים אביזרים. דוגמא נוספת לפיגמנט אביזר נראה לעין מאוד היא פוקוקסנטין, המעניק לאצות ימיות ודיאטומים את צבעם החום.

ניתן לסווג קרוטנואידים לשתי קבוצות: קרוטנים וקסנטופיליות.

קרוטנים

קרוטנים הם תרכובות אורגניות המופצות באופן נרחב כפיגמנטים בצמחים ובעלי חיים. הנוסחה הכללית שלהם היא C40H56 והם אינם מכילים חמצן. פיגמנטים אלה הם פחמימנים בלתי רוויים; כלומר, יש להם קשרים כפולים רבים והם שייכים לסדרה האיזופרנוואידית.

בצמחים, קרוטנים מעניקים צבעי צהוב, כתום או אדום לפרחים (קלנדולה), פירות (דלעת) ושורשים (גזר). בבעלי חיים הם נראים בשומנים (חמאה), חלמונים, נוצות (כנרית) וקליפות (לובסטר).

הקרוטן הנפוץ ביותר הוא ß- קרוטן, שהוא המבשר לוויטמין A ונחשב לחשוב מאוד לבעלי חיים.

קסנטופיליות

קסנטופילים הם פיגמנטים צהובים שהמבנה המולקולרי שלהם דומה לזה של קרוטנים, אך עם ההבדל שהם מכילים אטומי חמצן. כמה דוגמאות לכך הן: C40H56O (cryptoxanthin), C40H56O2 (לוטאין, zeaxanthin) ו- C40H56O6, שהוא הפוקוקסנטין האופייני לאצות חומות שהוזכרו לעיל.

קרוטנים הם בדרך כלל בצבע כתום יותר מאשר קסנטופילים. גם קרוטנים וגם קסנטופילים מסיסים בממסים אורגניים כמו כלורופורם, אתיל, ועוד. קרוטנים מסיסים יותר בפחמן דיסולפיד לעומת קסנטופילים.

פונקציות של קרוטנואידים

- קרוטנואידים מתפקדים כפיגמנטים אביזרים. הם סופגים אנרגיה קורנת באזור האמצעי של הספקטרום הנראה ומעבירים אותו לכלורופיל.

- הם מגנים על רכיבי הכלורופלסט מפני החמצן הנוצר ומשתחרר במהלך פוטוליזה של מים. קרוטנואידים תופסים חמצן זה דרך קשריו הכפולים ומשנים את המבנה המולקולרי שלהם למצב אנרגיה נמוך יותר (לא מזיק).

- המצב הנרגש של הכלורופיל מגיב עם חמצן מולקולרי ליצירת מצב חמצן פוגע ביותר הנקרא חמצן יחיד. קרוטנואידים מונעים זאת על ידי כיבוי המצב הנרגש של הכלורופיל.

- שלוש קסנטופיליות (ויולוקסנטין, אנתרוקסנטין וזאקסנטין) משתתפות בפיזור עודפי האנרגיה על ידי המרתה לחום.

- בגלל צבעם, הקרוטנואידים הופכים פרחים ופירות לגלויים להאבקה ופיזור על ידי בעלי חיים.

הפיקובילינים

הפיקובילינים הם פיגמנטים מסיסים במים ולכן הם נמצאים בציטופלזמה או בסטרומה של הכלורופלסט. הם מופיעים רק בציאנובקטריה ובאצות אדומות (רודופיטה).

הפיקובילינים אינם חשובים רק לאורגניזמים המשתמשים בהם כדי לספוג אנרגיה מאור, אלא משמשים גם ככלי מחקר.

כאשר תרכובות כמו פיקוצינין ופיקרואריטרין נחשפים לאור עז, הם סופגים את אנרגיית האור ומשחררים אותו על ידי פליטת פלואורסצנט בטווח צר מאוד של אורכי גל.

האור המיוצר על ידי פלואורסצנט זה הוא כה מובחן ואמין, עד שניתן להשתמש בפיכובילינים כ"תגים "כימיים. טכניקות אלה נמצאות בשימוש נרחב במחקר סרטן כדי "לתייג" תאים סרטניים.

הפניות

1. Bianchi, T. & Canuel, E. (2011). סמנים ביולוגיים כימיים במערכות אקולוגיות מימיות (מהדורה ראשונה). הוצאת אוניברסיטת פרינסטון.
2. Evert, R. & Eichhorn, S. (2013). רייבן ביולוגיה של צמחים (מהדורה 8). WH פרימן ומוציאים לאור של החברה.
3. גולדברג, ד (2010). ביולוגיה של AP של Barron (מהדורה שלישית). הסדרה החינוכית של ברון בע"מ
4. נובל, ד (2009). פיזיולוגיה צמחית פיזיקוכימית וסביבתית (מהדורה רביעית). Elsevier Inc.
5. פיגמנטים פוטוסינתטיים. התאושש מ: ucmp.berkeley.edu
6. רנגר, ג '(2008). תהליכים ראשוניים של פוטוסינתזה: עקרונות ומכשירים (IL. Ed.) פרסום RSC.
7. סולומון, א., ברג, ל. ומרטין, ד. (2004). ביולוגיה (מהדורה 7) למידת Cengage.