Реферат
Дисципліна: Фізіологія рослин з основами біохімії
Тема: «Каротиноїди. Визначення. Значення для рослин »
План
Введення
Історичні дані
1. Основна частина
1.1 Каротиноїди
1.2 Властивості каротину
1.3 Фізіологічна роль каротиноїдів
1.4 Каротиноїди і летючі ароматні речовини
Висновок
Введення
Вперше каротин був виділений в 1831 році Вакенродером з жовтої ріпи та моркви. На ім'я цієї останньої - Daucus carota - він і отримав свою назву. Кілька років тому, у 1837 році, Берцеліус шляхом екстрагування спиртом виділив з осіннього листя зелених рослин жовте барвник, що його їм ксантофиллом. У 1847 році Цейзе описав пігмент моркви, присвоївши йому бути емпіричну формулу С5 М 8. Пізніше, в 1861 році, Гуземан приписав каротину нову емпіричну формулу С18 Н24О підставі даних елементарного аналізу на вуглець і водень (С = 84,14, Н = 9,80 і С = 83,98, Н = 9,77). У 1883 році Бородіним було зроблено спостереження, легше в основу всіх подальших досліджень у сфері червоно-жовто-оранжевих природних пігментів. Бородін довів, що жовтий пігмент, вибравшись із зелених рослин, не цілком ідентичний каротину моркви і складається з суміші мінімум двох різних пігментів, у якій каротин є лише як складова частина в тих чи інших кількостях. Пропозиція Бородіна підтвердилося в роботах ще одного російського ботаніка - Монтеверде та інших дослідників. Так було покладено початок вивченню комплексу каротинові фарбувальних речовин, що тривають і до теперішнього часу. Запропонована Арно емпірична формула для каротину залишалася не спростованою протягом 20 років. Зусилля вчених у кінці XIX і в перші роки XX ст. були спрямовані до того, щоб внести будь-яку визначеність в характеристики і класифікацію жовто-оранжевих рослинних пігментів. Бугарель отримав каротин із зеленого листя в кристалічному вигляді і назвав його ерітрофіллом. Інші дослідники намагалися розділити і класифікувати супутників каротину. У своїх роботах вони прийняли найпростіші фізико-хімічні прийоми - фільтрування через активне вугілля, обробку різними розчинниками і т.д. Деяка позначка на можливість класифікації жовтих пігментів з'явилася тоді, коли в Сорбі і Краус звернулися по допомогу спектрального аналізу, визначивши смуги поглинання розчинів речовин, виділених з різних растворітельних матеріалів. Однак і тут, як правильно відзначає Любименко, "незважаючи на готівку оптичних відмінностей у досліджених Краусом пігментів, цей вчений не схильний був надавати їм великого значення і замість того, щоб ближче вивчити хімічні і фізичні ознаки окремих представників намічених груп, він просто оголосив їх формами ксантофилла ". Деяке пожвавлення в дослідженні природних барвників намітилося на початку цього століття. Воно пов'язане з роботами Вальштеттера з дослідження хлорофілу, поділу та ідентифікації пігментів, супутніх йому в рослинних органах. У своїй роботі "Дослідження хлорофілу" Вильштеттер присвячує окремий розділ "жовтим супутникам" цього распространенейшего в природі пігменту. Вильштеттер і Мить у 1907 році виділяли каротин з сушених листя пекучої кропиви шляхом екстрагування петролейним ефіром. За своїми властивостями цей пігмент виявився абсолютно ідентичним каротину з моркви. Аналіз очищеного речовини дав наступні результати в трьох пробах: I. С = 89,09 II. С = 89,50 III. С = 89,23 Н = 10,48 Н = 10,59 М = 10,54 Середнє співвідношення між С і Н в аналізах Вильштеттера і Міга було отримано рівним 1,406 (у Арно - 1,428). Такий результат найбільше наближається до емпіричної формулою С5 Н7. Визначення ж молекулярного ваги речовини по точці кипіння в хлороформі і сірковуглеці привели авторів до остаточної формулою С40Н56. Вильштеттер і Мить підтверджують правильність своїх висновків також на прикладі аналізу иодида каротину, в результаті якого було отримано: I. С = 51,62 II. С = 51,69 Н = 6,20 Н = 6,25 I = 41,53 I = 41,71 Ці дані більш відповідають формулі С40Н56I3 (С = 52,35; Н = 6,15; I = 41,50) , ніж формулі для иодида, припущень Арно (С26Н38I). Вольштеттер розмежував поняття "каротин" і "ксантофилл" і характеризував ксантофилл, як оксіпроізводное каротину. Вольштеттер вказав також на помилку Гуземана, що приймав своє оксисоединение за каротин, у той час як за розрахунками Вильштеттера воно якраз відповідало ксантофиллу, має формулу С40Н56О2. Таким чином з робіт Вильштеттера випливає, що в рослинах виявлено ніби тільки два жовтих пігменту - каротин і ксантофилл. Емпірична формула каротину, дана Вильштеттером, отримала згодом підтвердження відповідно до структурному аналізу. Існування ж, крім каротину, тільки одного ксантофилла було сумнівним, оскільки ще до досліджень Вильштеттера, ботаніками був накопичений значний матеріал з вилучення рослинних жовтих пігментів, які володіють різними спектральними характеристиками і растворимостями. Мається на увазі ці роботи Бородіна та інших авторів.
Втім, і сам Вильштеттер, врешті-решт, висловив сумнів щодо однорідності отриманих препаратів, що надалі цілком виправдалося. Різноманітність жовтих, червоних і помаранчевих фарбувальних речовин рослин, у цей час було підтверджено також фактом виділення вуглеводню ликопина у ряді рослин, де він супроводжує каротину ксантофиллу. Було встановлено також наявність лікопіну в томатах. Назрівала необхідність запровадити хоча б попередню раціональну класифікацію каротинові фарбувальних речовин. Перша спроба в цьому напрямі зробив в 1916 році Любименко у роботі "Про перетвореннях пігментів пластид в живій тканині рослини". Класифікація Любименко базувалася на двох ознаках - розчинності пігментів в одному і тому самому органічному розчиннику і схожості спектрів поглинання в сероуглеводороде, що визначаються візуально за допомогою спектроскопа.
У 1928 році Цейхмейстер і його співробітники, каталітично гидрируя каротин, встановили, що його молекула містить велику алифатическую угруповання. Подальші роботи по з'ясуванню будівлі каротину належать, головним чином, Карреру, широко використовував хроматографический метод Кольори для розділення пігментів та його ізомерів. У 1930 році, тобто майже через сто років після відкриття каротину, була встановлена його структурна формула. У цей же період часу були виділені і вивчені деякі ізомери каротину і ряд каротиноїдів. Виникла нова сучасна класифікація каратінових фарбувальних речовин. Відповідно до цієї класифікації всі відомі нам каротинові фарбувальні речовини за структурною ознакою можна розділити на дві основні групи: сполуки з 40 вуглецевими атомами в молекулі і з'єднання з числом атомів вуглецю в молекулі меншим 40. До першої групи належать вуглеводні (каротин, його ізомери і лікопін), оксисполуки - безперервні спирти, які отримали збірна назва "ксантофиллов", і оксосоединениям (кетони). Друга група каротинові фарбувальних речовин представлена карбоновими і оксикарбонових кислотами. Крім того, виявлено ще декілька специфічних каротиноїдів, виділених з органів тварин. Кількість вуглецевих атомів в їх молекулі сягає 80 (афаницин).
1. Основна частина
1.1 Каротиноїди
У переважній більшості випадків ізомери каротину в природних джерелах супроводжуються тією чи іншою кількістю надзвичайно родинних їм за будовою інших рослинних пігментів - каротиноїдів. Деякі з цих каротиноїдів, як буде зазначено далі, мають також провитаминной активністю. Інші позбавлені цих властивостей, але, будучи частими супутниками каротину у вихідних матеріалах, є баластом, від якого треба звільнятися при приготуванні чистих препаратів каротину і при аналітичному визначенні активності. Каротиноїди, так само як і ізомери каротину, належать до поліеновие природним барвником речовин. Їх молекули побудовані в аналогічній з каротином структурним принципом - цикли або псевдоцікли з'єднані алифатической угрупованням з ізопрена залишків. Між каротином і каратиноидами існує, очевидно, також і певна генетична зв'язок. Слід зазначити, що деякі рослинні продукти накопичують у собі, поряд з каротином, переважні кількості будь-якого чи декількох каротиноїдів (наприклад, лікопін в томатах, криптоксантин у жовтій кукурудзі і ін) Кількість різних каротиноїдів, що утворюються в органах рослин, може бути надзвичайно різноманітним і має коли кілька десятків окремих представників. Каротиноїди в даний час ще далеко не повністю вивчені. Більш-менш точні дані про будову і властивості відомі лише для основних пігментів даної групи. З каротиноїдів вуглеводневої характеру відомий один лікопін, широко поширений в природі (омати, деякі фрукти і ягоди). За своєю структурою він відрізняється від каротину наявністю на кінцях молекули не иононового циклів, а псевдоіононов. Хоча лікопін та прийнято відносити до каротиноїдів, але він фактично є алифатическим ізомером каротину, так само як і останній, вуглеводнем з емпіричної формулою С40Н56. Окрему групу каротиноїдів становить ряд ненасичених спиртів похідних каротину. Вони мають під назвою ксантофиллов, завдяки тому, що їх перший представник було в жовтих листках. З ксантофиллов найбільш близький до каротину криптоксантин (пігмент кукурудзи), має емпіричну формулу С40Н56О. Інший представник підгрупи ксантофиллов з емпіричної формулою С40Н56О - рубиксантин. У нього є також один гідроксильованих атом иононового цикл, другий же розкритий (псевдоіонон): каротиноїдів-ксантофилл з двома гідроксильованих иононового циклами і емпіричної формулою С40Н56О2 (пігмент яєчного жовтка) носить назву зеаксантин: ізомером зеаксантину є ксантофилл жовтого листя (лютеїн), у якого перший гідроксильованих цикл иононового, другий же иононового. Далі в списку каротиноїдів підгрупи ксантофиллов слід флавоксантин (пігмент жовтця) з емпіричної формулою С40Н56О3, два ізомеру - віолаксантін (пігмент братків) і тараксантин (пігмент кульбаби) з емпіричної формулою С40Н56О4. Будова цих оксіпроізводних каротину ще недостатньо з'ясовано. До ксантофиллам відноситься також фукоксантин (пігмент бурих водоростей) з емпіричної формулою С40Н60О6. Капсантин С40Н58О3 - головний пігмент шкірки плодів паприки - подібно криптоксантину має в своїй молекулі один гідроксильованих иононового цикл. На іншому ж кінці молекули Капсантин - псевдоцікл. Наступна підгрупа каротиноїдів належить до оксосоединениям. З них найбільш вивчений родоксантин С40Н50О2. Свого часу родоксантин вважався єдиним кетопроізводним каротину. Однак тепер відомі також афанин С40Н54О, що є монокетопроізводним каротину і миксоксантин С40Н54О - аналогічне похідне каротину. До монокетонам відноситься також, і каротиноід тваринного походження ехіненон С40Н58О + Н2. З каротиноїдів з числом вуглецевих атомів, меншим 40, найбільш відомі кроцетин і биксин (карбонові кислоти) і азафрин (оксикислота). Взагалі кажучи, представники цієї групи каротиноїдів набагато рідше зустрічаються в природі й накопичуються тільки в рослинах. Серед них не знайдено вуглеводнів. Існують припущення, у зв'язку з цим, що каротиноїди з числом вуглецевих атомів 40 утворюються в органах рослин шляхом окислення каротиноїдів з 40 вуглецевими атомами в молекулі. Кроцетин С20Н24О4 є жовтим пігментом шафрану. У ньому чотири кисневі атоми перебувають у двох карбоксильних групах. Популярний барвник для харчових жирів биксин С24Н30О - червоний пігмент насіння Bixa orellana - є метиловий ефір дикарбонової кислоти норбиксина С24Н28О4. Інший барвник для жирів - азафрин С27Н38О4, одержуваний з тропічних рослин видів Scrophulariacea, є оксикислот.
1.2 Властивості каротину
Кристалічний каротин є речовина темного мідно-червоного кольору з блискучим металевим відтінком. Чисті ізомери каротину відрізняються по відтінку забарвлення. Кристали каротину оранжево-червоні з яскравим блиском, каротин утворює фіолетові кристали з металевим блиском. Форма кристалів каротину ще недостатньо вивчена. Слід припускати наявність поліморфізму, головним чином в залежності від природи розчинника. Олкович і Маттилл відзначають, крім того, залежність форми кристалів від умов кристалізації - температури, концентрації, швидкості охолодження, тривалості стояння розчину. За Цехмейстеру, каротин з суміші сірковуглецю і спирту викристалізовується в чітко виражених кубиках, з петролейного ефіру, випадає у вигляді призм; каротин з бензину викристалізовується у вигляді призм або пучків голок. Олкович і Маттилл спостерігали при кристалізації каротину освіту ромбоедрів (з петролейного ефіру), трикутних пластинок (з ацетону), голок (з хлороформу і метанолу), пучків голок (з сірковуглецю і абсолютного спирту), квадратних платівок (з петролейного ефіру та метанолу). Автори вважають, що, незважаючи на розбіжності форми, каротин завжди кристалізується в гексагональній системі. Цілком чистий каротин не має запаху. Однак у зв'язку з тим, що навіть при самому ретельному зберіганні каротину в ньому завжди утвориться деяка кількість продуктів розкладання, каротин набуває приємний запах коренів флорентійської фіалки, викликаний ионона.
1.3 Фізіологічна роль каротиноїдів
Каротиноїди є обов'язковими компонентами пігментних систем. Вони виконують роль додаткових пігментів, які передають енергію поглинених квантів хлорофілу а для здійснення фотохімічної роботи. Особливо зростає їх значення як светоулавлівающіх систем у синьо-фіолетового і синьою частинах спектра в затінених місцях, тобто коли переважає розсіяна радіація.
Є докази, що каротиноїди виконують захисну функцію, оберігаючи хлорофіл від фотоокислення. Ще в 1913 р. Д. І. Івановський встановив, що в пробірках, виставлених на пряме сонячне світло, ступінь руйнування хлорофілу залежала від концентрації каротиноїдів в розчині.
У дефектних за каротиноїдів мутантів кукурудзи і соняшнику, а також при експериментально порушеному утворенні каротиноїдів спостерігається швидке фотоокислення хлорофілу.
Висловлюється також припущення про пряму участь каротиноїдів у розщепленні води і кисневому обміні при фотосинтезі. Особливе значення надається віолаксантинового циклу.
При висвітленні в зеленому листі відбувається перетворення діепоксідксантофілла віолаксантін в безепоксідний ксантофилл зеаксантин. У незалежній від світла реакції завдяки включенню кисню відбувається зворотне перетворення зеаксантину в віолаксантін. Можливо, цей цикл служить для видалення надлишків кисню, що утворюються при фотоліз води.
У верхівках пагонів рослин каротиноїди забезпечують визначення напрямку світла і їх орієнтацію до світлового потоку за рахунок фототропізму.
1.4 Каротиноїди і летючі ароматні речовини
Багато продуктів біотрансформації каротиноїдів є важливими пахучими речовинами, що визначають запах харчових продуктів і кольорів (ионона, дамаскони, дамасценони). Солодкувато-квітковий запах чорного чаю, тютюну, винограду та інших фруктів багато в чому пов'язаний саме з такими изопреноидной речовинами - "уламками" великих молекул каротиноїдів.
Висновок
Функції каротиноїдів різноманітні. В якості допоміжних фотосинтетичних пігментів каротиноїди поглинають кванти світла в короткохвильовій області спектра, які потім передаються на хлорофіл. У ціанобактерій енергія світла, поглинена каротиноїдами, надходить в основному в I фотосистему. Ефективність передачі енергії для різних каротиноїдів коливається від 30 до 90%. Відомо участь каротиноїдів у здійсненні реакцій фототаксис, а також у захисті клітини від токсичних ефектів синглетного кисню.
Каротиноїди синтезуються деякими мікроорганізмами і всіма рослинами, в клітинах яких беруть участь у фотосинтезі і процесах, пов'язаних з поглинанням світла (фототаксис, фототропізму та ін.) Обумовлюють забарвлення плодів, осіннього листя, колоній ряду мікробів. В організмі тварин і людини з каротинів, що надходять з їжею, утворюється вітамін А.
Список літератури
Савінов Б.Г. Каротин (провітамін А) і отримання його препаратів. - Київ: Видавництво Академії Наук Української РСР, 1948.
Третьяков М.М. Фізіологія і біохімія сільськогосподарських рослин Ф50 / М.М. Третьяков, Є.І. Кошкін, Н.М. Макрушин та ін; під ред. М.М. Третьякова. - М.: Колос, 2000.
Сисакян Н.М., Біохімія і фізіологія вітамінів, 1953.