Dołącz do czytelników
Brak wyników

Biochemia

9 listopada 2021

NR 47 (Listopad 2021)

Barwniki roślinne – dlaczego świat jest kolorowy cz. 2

0 18

W otaczającej nas przyrodzie, a dokładniej w roślinach – krzewach, drzewach czy trawach, to zielona barwa chlorofili jest tą dominującą, jednak to pozostałe barwniki są tymi, które skupiają uwagę, podkreślając piękno kwiatów i owoców czy nawet niektórych liści. Czerwono-pomarańczowo-żółte zabarwienie karotenoidów i ksantofili, czy różowo-czerwone i niebiesko-fioletowe antocyjanów, żółto-brązowe flawonoidów, czy też buraczane betanin, dają pełne spektrum barw w okresie intensywnego kwitnienia i owocowania. Barwniki te, poza odczuciami wizualnymi, pełnią określone funkcje w roślinach. Poza tym wykazują prozdrowotny wpływ na organizm człowieka i mają też zastosowanie praktyczne w przemyśle spożywczym.

Karotenoidy należą do najszerzej występujących barwników roślinnych. Zaliczane są do węglowodorów nienasyconych, gdyż zawierają dużą ilość wiązań podwójnych w długim łańcuchu węglowym, odpowiedzialnych za ich intensywną barwę od czerwonej przez pomarańczową do żółtej. Po raz pierwszy karoten został wyodrębniony w postaci rubinowoczerwonych kryształów z mar­chwi karotki w 1831 r. przez Wackenrodera. Zdjęcia mikroskopowe przekroju korzenia marchwi prezentuje rysunek 1, na którym można zaobserwować, przy dużym powiększeniu, obszary występowania barwnika. Karoten występuje głównie jako α-karoten i β-karoten między innymi w korzeniu marchwi i papryce. Istnieje też γ-karoten. Karoteny są nierozpuszczalne w wodzie, a dobrze rozpuszczalne w olejach, tłuszczach i heksanie, ponadto wykazują odporność na zmiany pH, ale nie są odporne na działanie światła, drobnoustrojów i podwyższonej temperatury. Karotenoidy są odporne na ogrzewanie jednak szybko ulegają utlenieniu. Barwy poszczególnych karotenoidów zestawiono w tabeli 2. Do ich syntezy oprócz roślin zdolne są także niektóre drobnoustroje, np. Blakeslea tripsora, z udziałem której otrzymywane są na skalę techniczną. Innym bardzo popularnym barwnikiem z tej grupy jest likopen znajdujący się między innymi w pomidorach. 

POLECAMY

  

Rys. 1. Zdjęcie mikroskopowe korzenia marchwi 40x (po lewej) i 400x (po prawej, przekrój na filtrze niebieskim) (zdjęcia własne wykonane mikroskopem Bresser Erudit No51-10000)

Przemysłowo poszczególne karoteny otrzymuje się z następujących źródeł: α-karoten – z marchwi, β-karoten – z oleju z palmy czerwonej, a γ-karoten – z liści konwalii. β-karoten jest prowitaminą A i w organizmie człowieka ulega przekształceniu w witaminę A.

Ksantofile stanowią podgrupę karotenoidów, a są to ich tak zwane tlenowe pochodne i podobnie jak one umiejscowione są w chromoplastach. Dzięki układowi sprzężonych wiązań podwójnych w ich cząsteczkach nadają żółtą, pomarańczową lub czerwoną barwę kwiatom i owocom. Do częściej występujących należą: luteina, astaksantyna, fukoksantyna i wiolaksantyna oraz zeaksantyna, barwnik znajdujący się w ziarnach kukurydzy. Zabarwienie poszczególnych ksantofili zestawiono w tabeli 2.

Ciekawostką jest zjawisko tak zwanego śniegu arbuzowego (watermelon snow) występującego w rejonach arktycznych i górskich, opisane po raz pierwszy przez profesora Colemana w 1982. Są to zakwity śniegu o czerwonawym zabarwieniu arbuza, a nawet wydzielające jego zapach, które to powstają pod wpływem glonów: zawłotnia śnieżna (Chlamydomonas nivalis), skotiella śnieżna (Scottiella nivalis), Chlamydomonas sanguinea i Smithsonimonas abbotii, których organizmy wytwarzają czerwonawy barwnik – astaksantynę.

Antocyjany i flawonoidy, określane jako związki flawonoidowe, stanowią dużą grupę barwników fenolowych o różnorodnych barwach, a w roślinach umiejscowione są one w wakuolach. Są dobrze rozpuszczalne w soku komórkowym. Zakres barw flawonoidów to od jasnożółtej do brązowej natomiast antocyjanów różowe, czerwone niebieskie czy nawet fioletowe. Substancje te barwią kwiaty, a dokładnie ich płatki oraz owoce. Do antocyjanów zalicza się antocyjanidyny i ich pochodne cukrowe antocyjaniny (glikozydy) stanowią one dużą grupę barwników roślinnych. Antocyjanidyny (antocyjanozydy) to połączenia antocyjanów (aglikonów – składników niesacharydowych) z fragmentami cukrowymi za pomocą wiązania glikozydowego.

Fragmentami cukrowymi, z którymi łączą się antocyjany, są: heksozy (glukoza, galaktoza, ksyloza, arabinoza), pentoza (ramnoza) lub dwucukier (rutynoza, ksyloglukoza). 

W przyrodzie spotyka się najczęściej 6 typów antocyjanów: cyjanidynę, delfinidynę, pelargonidynę, peonidynę, malwidynę i petunidynę, a ich nazwy pochodzą od kwiatów, z których zostały wyizolowane (tabela 1). Poszczególne antocyjany różnią się zatem ilością i miejscem podstawienia grup hydroksylowych -OH oraz metoksylowych -OCH3.

Badania nad antocyjanami z różnych kwiatów i owoców doprowadziły do zdumiewającego wniosku, że cała różnorodność kolorystyczna kwiatowego kobierca zależy głównie od zaledwie trzech antocyjanów: pelagronidyny, cyjanidyny i delfinidyny.

Niebieskie zabarwienie kwiatów bławatka pochodzi od formy zasadowej cyjanidyny, natomiast jej forma oksoniowa powoduje czerwone zabarwienie kwiatów róży i pelargonii.

Tab. 1. Budowa cząsteczek najpopularniejszych antocyjanów

Antocyjany R R’
cyjanidyna OH H
delfinidyna OH OH
malwidyna OCH3 OCH3
pelargonidyna H H
peonidyna OCH3 H
petunidyna OCH3 OH

Rys. 2. Struktury antocyjanów w roztworze o odczynie kwasowym, obojętnym i zasadowym
 

Malwidyna występująca w kwiatach malwy i w winogronach (również w czerwonym winie), w formie kwasowej ma barwę czerwoną. Cyjanidyna znajduje się w płatkach róż, begonii i maków (barwa czerwona), w płatkach chabrów i bławatka (barwa niebieska) oraz w wiśniach, jabłkach, aronii, truskawkach, malinach i jeżynach. Pozostałe antocyjany wykazujące czerwoną barwę w formie kwaśnej to: peonidyna w płatkach peonii i petunidyna w płatkach petunii. Pelargonidyna w formie kwasowej ma pomarańczowo-czerwoną barwę i znajduje się truskawkach, czerwonych borówkach, w płatkach dalii i pelargoni. Natomiast w winogronach oraz płatkach astra, lawendy, lnu, ostróżkach i fiołkach występuje delfinidyna, która w formie kwasowej przyjmuje fioletowo-czerwone zabarwienie.

  

  

Rys. 3. Obraz mikroskopowy sposobu zabarwienia komórek płatków astra oraz skórki jabłka w różnym powiększeniu 20 razy – po lewej – i 400 razy – po prawej (zdjęcia własne)

Barwa antocyjan uzależniona jest nie tylko od budowy ich cząsteczek, ale także od pH soku komórkowego (rysunek 2). Zanik barwy czerwonej bądź w niektórych przypadkach jej zmiana na bladoróżową (co zależy od mieszaniny antocyjan znajdujących się w surowcu roślinnym) i następuje zazwyczaj dla pH w zakresie około 2,5–3,5.

Rys. 4. Przykład sposobu kompleksowania jonów metali przez cząsteczki antocyjanów 

Antocyjany zawarte są w płatkach kwiatów i skórce owoców, a obszary ich występowania widoczne są na przedstawionych zdjęciach mikroskopowych w dwóch powiększeniach, co prezentuje rysunek 3. 

Wpływ na barwę antocyjanów ma także możliwość tworzenia przez nie związków kompleksowych z jonami metali dwuwartościowych i trójwartościowych głównie żelaza(III) oraz glinu(III), rysunek 4. Znaczenie ma także współobecność flawonoidów, garbników, kwaśnych polisacharydów i peptydów oraz temperatura, ze wzrostem której wzrasta intensywność obserwowanego zabarwienia. Proces kompleksowania jonów glinu, miedzi czy żelaza przez cząsteczki antocyjanów powoduje określone zmiany zabarwienia i jest on silniejszy niż barwa wynikająca z odczynu roztworu. Antocyjany występujące w kompleksach z wspomnianymi jonami glinu, pomimo kwaśnego odczynu środowiska mogą zachowywać barwę niebieską. Wpływ jonów metali na barwę tych związków znalazł zastosowanie w praktyce ogrodniczej. Zjawisko zmiany barwy płatków kwiatów pod wpływem określonych kationów ma praktyczne zastosowanie przy hodowli hortensji ogrodowej. W przypadku tej rośliny kluczowe znaczenie ma zawartość jonów glinu w glebie. Na glebach ubogich w glin hortensja ma kwiaty różowe, na glebach bogatych w ten pierwiastek kolor kwiatów jest niebieski. Wobec tego, aby różowe płatki zamienić na błękitne, wystarczy zastosować odpowiednio przygotowany roztwór ałunu potasowo-glinowego.

Antocyjany powstają w toku biosyntezy, podobnie jak flawonoidy, z aminokwasów aromatycznych. W ko­­lejnych etapach powstają antocyjanidyny, a w wyniku dalszych reakcji pow­­­staje pelargonidyna, cyjanidyna czy delfinidyna. Antocyjany zaliczyć można zatem do metabolitów wtórnych. Najpopularniejszym flawonoidem jest kwercetyna zawarta między innymi w łuskach cebuli żółtej, rysunek 5. 

  

Rys. 5. Cebula i łuski (obraz makroskopowy) i łuski obraz powiększony 400 razy (obraz mikroskopowy)Ciekawym, choć mało rozpowszechnionym w przyrodzie i praktyczne nieznanym, gdyż rzadko omawianym, jest naturalny barwnik betanina zawarty w burakach. Wyizolowany został po raz pierwszy dopiero w 1918 r. 

Na barwę buraka składają się dwa związki betacyjaniny (o zabarwieniu czerwonym i różowym) i betaksantyny odznaczające się żółtopomarańczową barwą.

W przyrodzie występują różne bar­wniki i spełniają one określone funkcje. Ogólnie kolorowe kwiaty mają na celu zwabiać owady lub ptaki (np. kolibry), aby je zapylały i owoce swoim kolorowym zabarwieniem skupiają uwagę ptaków i innych zwierząt, które je zjadają. Oba aspekty, zarówno zapylanie, jak i przenoszenie nasion, mają kluczowe znaczenie w procesie rozmnażania się roślin. Ksantofile są pomocniczymi barwnikami w procesie fotosyntezy, a także współdecydują o jesiennym zabarwieniu liści. Ksantofile pełnią także funkcję przeciwutleniaczy, przez co chronią komórkę, a zwłaszcza chloroplasty przed szkodliwym działaniem reaktywnych form tlenu.

Jedną ze stosowanych przez rośliny metod ochrony i obrony, mającą na celu zmniejszenia stopnia penetracji tkanek przed szkodliwym wpływem promieni UV jest biosynteza związków fenolowych (antocyjanów i flawonoidów) mających zdolność absorbowania tego promieniowania. Antocyjany zawarte w liściach absorbują więcej światła zielonego i żółtego (chlorofil nie wykazuje tej właściwości). Ponadto potrafią one chronić roślinę przed promieniowaniem ultrafioletowym w zakresie UVB (280–320 nm). Biosynteza antocyjanów w liściach ulega istotnemu zwiększaniu w odpowiedzi na jeden lub więcej stresorów środowiskowych (oprócz silnego promieniowania UVB), takich jak: ekstremalne temperatury, susza, obecność ozonu, ni...

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