Светлинни и фотосинтетични пигменти

Ако ти се е случвало да стоиш твърде дълго на слънце и да получиш слънчево изгаряне, вероятно си наясно с енергията от Слънцето. За нещастие човешкото тяло не може много да използва соларната (слънчевата) енергия, освен че произвежда малко витамин Д (витамин, синтезиран в кожата в присъствието на слънчева светлина).

Растенията, от друга страна, са експерти в улавянето на светлинна енергия и използването ѝ за направа на захари чрез процес, наречен фотосинтеза. Този процес започва с абсорбцията на светлина от специализирани органични молекули, наречени пигменти, които се намират в хлоропластите на растителните клетки. Тук ще приемем светлината като вид енергия и ще видим как пигментите – като хлорофилите, които правят растенията зелени – абсорбират тази енергия.

Светлината е вид електромагнитна радиация, вид енергия, която пътува на вълни. Други видове електромагнитна радиация, която срещаме в ежедневието си, включват радиовълни, микровълни и рентгенови лъчи. Заедно всички видове електромагнитна радиация съставят електромагнитен спектър.

Всяка електромагнитна вълна има определена дължина на вълната, или разстояние от един гребен до другия, и различните видове радиация имат различни характерни диапазони дължини на вълните (както е показано в диаграмата по-долу). Видове радиация с големи дължини на вълните като радиовълните носят по-малко енергия от видове радиация с къси дължини на вълните като рентгеновите лъчи.

Видимият спектър е единствената част на електромагнитния спектър, която може да бъде видяна от човешкото око. Той включва електромагнитна радиация, чиято дължина на вълната е между приблизително 400 nm и 700 nm. Видимата светлина от слънцето изглежда бяла, но всъщност е съставена от вълни с различни дължини (цветове). Можеш да видиш тези различни цветове, когато бялата светлина премине през призма: понеже различните дължини на светлинните вълни се пречупват под различни ъгли, когато преминават през призмата, разпръскват се и образуват това, което виждаме като дъга. Червената светлина има най-голяма дължина на вълната и най-малко енергия, докато виолетовата светлина има най-късата дължина на вълната и най-много енергия.

Въпреки че светлината и други видове електромагнитна радиация се държат като вълни при определени условия, те могат да се държат като частици при други условия. Всяка частица електромагнитна радиация, наречена фотон, притежава определено количество енергия. Радиацията с къси дължини на вълните е съставена от високоенергийни фотони, докато радиация с големи дължини на вълните е съставена от нискоенергийни фотони.

При фотосинтеза слънчевата енергия се преобразува в химична енергия от фотосинтезиращите организми. Но различните дължини на вълните в слънчевата светлина не се използват еднакво във фотосинтезата. Фотосинтезиращите организми съдържат вещества, абсорбиращи светлина, наречени пигменти, които абсорбират само специфични дължини на вълните от видимата светлина, докато отразяват други.

Съвкупността от различните дължини на вълни, абсорбирани от един пигмент, се нарича спектър на абсорбция. В диаграмата по-долу можеш да видиш спектрите на три ключови за фотосинтезата пигменти: хлорофил a, хлорофил b и β-каротин. Дължините на вълните, които един пигмент не абсорбира, се отразяват и точно отразената светлина е това, което виждаме като цвят. Например растенията ни изглеждат зелени, понеже съдържат много молекули хлорофил a и хлорофил b, които отразяват зелена светлина.

Повечето фотосинтезиращи организми имат разнообразие от различни пигменти, така че могат да абсорбират енергия от широк диапазон дължини на вълните. Тук ще разгледаме две групи пигменти, които са важни в растенията: хлорофили и каротеноиди.

Има пет основни вида хлорофили: хлорофили a, b, c и d, плюс свързана молекула, намираща се в прокариотите, наречена бактериохлорофил. В растенията хлорофил а и хлорофил b са основните пигменти на фотосинтеза. Молекулите хлорофил абсорбират сините и червените вълни, както е показано от върховете в спектрите на абсорбция по-горе.

Структурно молекулите хлорофил включват една хидрофобна ("страхуваща се от водата") опашка, която се вмъква в тилакоидната мембрана, и глава с порфиринов пръстен (циклична група от атоми, ограждащи един магнезиев йон), който абсорбира светлина.${}^1$‍.

Въпреки че и хлорофил a, и хлорофил b абсорбират светлина, хлорофил a играе уникална и жизненоважна роля при преобразуването на светлинна енергия в химична енергия (както можеш да разбереш в статията за зависими от светлина реакции. Всички фотосинтезиращи растения, водорасли и цианобактерии съдържат хлорофил a, докато само растенията и зелените водорасли съдържат хлорофил b, заедно с няколко вида цианобактерии${}^{2,3}$‍.

Поради централната роля на хлорофил a във фотосинтезата, всички останали пигменти, използвани в допълнение на хлорофил a, се наричат добавъчни пигменти, което включва освен другите форми на хлорофил и други класове пигменти като каротиноиди. Използването на добавъчни пигменти позволява да се абсорбира по-широк диапазон дължини на вълните и, следователно, да се улавя повече енергия от слънчевата светлина.

Каротиноидите са друга ключова група пигменти, които абсорбират виолетова и синьо-зелена светлина (виж графиката на спектъра по-горе). Светло оцветените каротиноиди, намиращи се в плодовете—като червеното на доматите (ликопен), жълтото на зърната на царевицата (зеаксантин) или оранжевото на оранжевата кора (β-каротин)—често се използват като "реклама" за привличане на животните, което може да помогне за разпръскване на семената на растението.

При фотосинтезата каротиноидите помагат за улавяне на светлина, но също имат важна роля при премахването на излишната слънчева енергия. Когато едно листо е изложено напълно на слънце, то получава огромно количество енергия. Ако тази енергия не се използва правилно, може да се увреди апарата на фотосинтезата. Каротиноидите в хлоропластите помагат за абсорбирането на излишната енергия и я разпръскват като топлина.

Когато даден пигмент абсорбира един светлинен фотон, той се възбужда, което означава, че има допълнителна енергия и вече не е в нормалното си, или основно, състояние. На субатомно ниво възбуждане имаме тогава, когато един електрон преминава в по-високоенергийна орбитала, която лежи по-надалеч от ядрото.

Една пигментна молекула може да се възбуди само от фотон с точно подходящото количество енергия, която да способства за преминаването на един електрон между орбиталите. Всъщност затова различните пигменти абсорбират светлина с различни дължини на вълните: "енергийните дупки" между орбиталите са различни във всеки пигмент, което означава, че за всеки различен случай е необходим различен фотон с различна дължина на вълната, който предоставя енергията, която съвпада с разликата между съответните орбитали${}^4$‍.

Възбудената пигментна молекула не е стабилна и има много различни налични "опции", за да стане по-стабилна. Например може да прехвърли или допълнителната си енергия, или възбудения си електрон към съседна молекула. В следващия раздел ще видим как работят тези два процеса: зависими от светлина реакции.