Dołącz do czytelników
Brak wyników

Biochemia

2 września 2021

NR 46 (Wrzesień 2021)

Barwniki roślinne – dlaczego świat jest kolorowy

13

Zmienność gamy kolorystycznej barw w przyrodzie zdeterminowana jest następującymi po sobie porami roku. Wiosną następuje eksplozja kolorów, na drzewach zaczynają się pojawiać jasnozielone liście oraz kwiaty o bogatej gamie kolorów. Swój zielony kolor odzyskują też szarozielone rośliny iglaste. Latem wszystkie barwy stają się nieco bardziej stonowane. Pojawiają się owoce, które powoli zmieniają zabarwienie z zielonych na właściwe dla danego gatunku. Jesienią barwy stają się lekko przygaszone, następuje rozkład poszczególnych barwników w oczekiwaniu na zimę.

Barwna przyroda zachwyca ludzi od zarania dziejów. Na wiosnę, gdy rośliny zaczynają kiełkować, ich naziemne części pod wpływem światła słonecznego w wyniku odpowiednich procesów biochemicznych zachodzących na poziomie komórkowym zaczynają się zielenić. Podobnie jest w przypadku krzewów i drzew, u których zaczynają powstawać pąki liściowe, a z nich następnie wyłaniają się liście o zielonej barwie (fot. 1). Młode liście zazwyczaj są jasnozielone, natomiast z czasem stają się ciemniejsze. W czasie kwitnienia i owocowania krzewów i drzew liście pozostają zielone, jednak po owocowaniu i z nastaniem krótszych jesiennych dni, kiedy dawka promieni słonecznych jest znacznie mniejsza, powoli zaczynają żółknąć, a w niektórych przypadkach stają się bordowe czy pomarańczowe. 
Kolejnym etapem corocznego rozwoju roślin jest wytwarzanie przez nie barwnych kwiatów (fot. 2), a następnie owoców (fot. 3). Owoce z początku są małe i zielone, a następnie coraz bardziej się powiększają i w wyniku przemian barwników w nich zawartych zaczynają nabierać właściwego koloru. 
Barwniki roślinne interesowały badaczy już od dawna. Do barwników naturalnych zaliczane są te związki występujące u roślin i zwierząt, które mają zdolność pochłaniania światła w zakresie promieniowania 400–700 nm. Fakt widzenia barwy uzależniony jest od możliwości postrzegania narządu wzroku danego człowieka oraz charakterystycznych cech określonych związków chemicznych w otaczającym świecie. Barwa jest wrażeniem psychicznym wywołanym w mózgu zwierząt, gdy oko odbiera promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła. Na to wrażenie ma wpływ: skład widmowy promieniowania świetlnego, ilość energii świetlnej, obecność innych barw w polu widzenia obserwatora oraz cechy osobnicze obserwatora: zdrowie, samopoczucie, nastrój. Barwa substancji zależy od selektywnej absorpcji części widma widzialnego. Barwa substancji w świetle przechodzącym stanowi zawsze barwę dopełniającą do barwy promieni zaabsorbowanych przez tę substancję (tabela 1).
 

POLECAMY

Tab. 1. Spektrum barw promieni pochłoniętych, barw dopełniających przy określonej długości fali
Długość fali [nm] Barwa promieni pochłoniętych Barwa dopełniająca (obserwowana)
400–435 fioletowa żółtozielona
435–480 błękitna żółta
480–490 zielonkawobłękitna pomarańczowa
490–500 błękitnozielonkawa czerwona
500–560 zielona purpurowa
560–580 żółtozielona fioletowa
580–595 żółta błękitna
595–605 pomarańczowa zielonkawobłękitna
605–750 czerwona błękitnozielona


Grupy chromoforowe to układy sprzężonych wiązań podwójnych wraz z różnymi grupami funkcyjnymi w związkach organicznych. Jednym z najprostszych przykładów jest benzen i jego pochodne powstające przez dodanie kolejnego pierścienia, na przykładzie których można zaobserwować zjawisko zmiany zabarwienia związku wraz ze zwiększającą się ilością sprzężonych wiązań podwójnych (rysunek 1). 
 

Fot. 1. Pąk liścienny (jabłoń kolumnowa Malinówka), pąki kwiatowe (agrest zielony), rozwijające się liście

Poza wiązaniem podwójnym łączącym poszczególne atomy węgla w cząsteczkach związków barwnych istnieją także połączenia z innymi atomami, np. azotem, tlenem, czyli grupy funkcyjne jak C=O. Układy takie przedstawiono poniżej, opisując różne grupy naturalnych barwników, które w składzie pierwiastkowym oprócz węgla i wodoru mają tlen i/lub azot, a także odpowiednio związane jony metali. Atomy tych pierwiastków mają jedną lub dwie nieczynne pary elektronowe, które z sąsiadującymi wiązaniami podwójnymi mogą tworzyć sprzężony układ wiązań podwójnych, przez co związki te są barwne. Atom azotu często łączy się z innymi trzema wiązaniami i ma jedną nieczynną parę elektronów, tworzy sprzężone układy między innymi w cząsteczkach chlorofili opisanych poniżej. 
Do związków barwnych pochodzenia roślinnego często omawianych w literaturze biologicznej czy chemicznej zaliczyć można chlorofile, karotenoidy czy ksantofile. Ciekawą grupą związków, która często jest pomijana w literaturze, a wykazuje szerokie spektrum barw, są antocyjany i flawonoidy. Antocyjany są bardzo rozpowszechnionymi barwnikami w całym świecie roślinnym – nadają barwę kwiatom – ich płatkom, liściom i owocom, a nawet korzeniom. Nie stwierdzono ich tylko u glonów, w rodzinach roślin kaktusowatych i komosowatych (np. komosa, burak czerwony, szpinak, które zawierają odrębną grupę barwników zwanych betaninami).
 

Rys. 1. Zmiana zabarwienia substancji wraz ze zwiększającą się ilością sprzężonych wiązań podwójnych


W roślinach barwniki zlokalizowane są w: chloroplastach (fotosyntetyzujące chlorofile), chromoplastach (barwniki karotenoidowe), leukoplastach (część z nich po ekspozycji na światło słoneczne przekształca się w chloroplasty) i wakuolach (antocyjany i flawonoidy). W przypadku owoców chloroplasty zostają przekształcone w chromoplasty, gdy zielone owoce powiększają się i nabierają swych właściwych barw, a jest to zjawisko charakterystyczne dla procesu ich dojrzewania, a także dojrzewających kwiatach i starzejących się liściach na jesień. 
Barwniki roślinne dzielą się na: rozpuszczalne w wodzie, np. flawonoidy, antocyjany i betaniny, oraz rozpuszczalne w tłuszczach, np. karotenoidy wraz z ksantofilami i chlorofile. Można podzielić je również ze względu na: aktywność fotosyntetyczną (np. chlorofil typu a, b, c i d) oraz fikobiliny (fikobiloproteiny typowe dla sinic i krasnorostów, nadające im, odpowiednio barwę niebieską lub czerwoną), które przekazują energię pochłoniętych fotonów do cząsteczek chlorofili: fikocyjanina – niebieska, fikoerytryna – czerwona i fitochrom – składnik typowy dla roślin wyższych – niebieskozielony) oraz jej brak (np. antocyjany, flawonoidy, karotenoidy, ksantofile i betaniny). Pomarańczowe lub czerwone barwniki występujące obok chlorofilów w chloroplastach roślin zielonych są blisko spokrewnione z grupą witamin A, które tworzą się w organizmie zwierzęcym w wyniku przemian karotenoidów. 
W 1812 r. Peletier i Caventou wyodrębnili po raz pierwszy zielone barwniki roślinne. Zielone barwniki roślinne to chlorofile, które zlokalizowane są w chloroplastach (rysunek 2), gdzie występują wraz z karotenoidami w postaci kompleksu ze specyficznym białkiem – chloroplastyną. 
 

Fot. 2. Kwiaty: magnolia, pierwiosnki, zimowit jesienny, skalnica nakrapiana, słonecznik i mniszek lekarski

 

Rys. 2. Budowa chloroplastu (ChemBioDrawUltra 12.0)


Otoczka chloroplastowa zbudowana jest z dwóch błon lipidowo-białkowych: błony wewnętrznej i zewnętrznej, a pomiędzy nimi znajduje się przestrzeń międzybłonowa, a we wnętrzu chloroplastu znajduje się białkowy koloid – stroma. W stromie zlokalizowane są tylakoidy będące pęcherzykowatymi strukturami zawierającymi zielony barwnik chlorofil. Tylakoidy ułożone są w stosy – grana. To właśnie w chloroplastach zachodzi, pod wpływem energii słonecznej, przemiana dwutlenku węgla i wody w glukozę i tlen.
Biosynteza barwników chlorofilowych u roślin, glonów i cyjanobakterii jest obecnie bardzo dobrze poznana. Zasadniczym elementem budowy cząsteczek chlorofili jest układ porfirynowy posiadający układ sprzężonych wiązań podwójnych, który warunkuje ich barwę. Układ porfirynowy tych barwników tworzy się w wyniku wieloetapowej biosyntezy z udziałem aminokwasu glicyny. Jednym z ostatnich etapów biosyntezy chlorofilów jest przyłączenie jonu Mg2+ do protoporfiryny. U roślin zielonych występują dwa rodzaje: jasnozielony chlorofil a ciemnozielony b (rysunek 3).
 

Fot. 3. Owoce o różnorodnych barwach: truskawki, porzeczki czerwone i czarne, maliny, pitahaya.

 

Rys. 3. Budowa cząsteczki chlorofilu a (po lewej) i chlorofilu b (po prawej)


Obecnie znane są następujące odmiany chlorofili: a, b, c1, c2, d i f (tabela 2). Chlorofile a i b (rysune...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy