Пигменты. Какие они бывают

Природа наградила нас необычайным даром – цветовым зрением, а вместе с ним дала возможность восхищаться красотой окружающего растительного мира. Мы с надеждой смотрим на нежную зелень весенней листвы и с грустью любуемся желто-оранжевой гаммой осеннего леса. Кто не восхищался красками цветущего луга, лесной опушки, осенней листвы, даров сада и поля? Цвет волос мы сравниваем с золотистыми колосьями хлеба, а цвет глаз – с синими васильками. Даже сами названия цветов – оранжевый, лиловый, индиго – тоже происходят от названий растений.

Но часто ли вы задавали себе вопросы: отчего зеленые листья осенью желтеют или краснеют? Почему лепестки ромашки белые, а первые весенние листочки тополя красноватые? Почему окружающие растения окрашены именно так, а не иначе, как возникает огромное богатство цветов и оттенков? Почему цветок утром розовый, а к вечеру уже синий? Почему в одном соцветии встречаются венчики цветков с различной окраской – от белой до розовой? Можно ли приготовить краску из цветков розы, василька, ноготков, чтобы холодной зимой радоваться ярким краскам лета? Как человек может применить знания о цвете растений в повседневной жизни? Можно ли цветом лечиться?

Конечно же, если растения окрашены, значит, в них есть красители – пигменты. Растительные пигменты являются предметом исследования многих научных дисциплин. Предмет физической химии – выделение пигментов из растений и определение их химического строения, биохимия исследует процессы, приводящие к образованию окрашенных веществ, физиология изучает их локализацию и миграцию в органах растений, хемотаксономия использует наличие разных пигментов для классификации растений.

Цвет определяется способностью пигмента к поглощению света. Электромагнитные волны с длиной волны 400–700 нм составляют видимую часть солнечного излучения. Волны длиной 400–424 нм – это фиолетовый цвет, 424–491 – синий, 491–550 – зеленый, 550–585 – желтый, 585–647 – оранжевый, 647–740 нм – красный. Излучение с длиной волны меньше 400 нм – ультрафиолетовая, а с длиной волны более 740 нм – инфракрасная область спектра. Максимальное цветоразложение солнечного света приходится на 13–15 часов. Именно в это время луг, поле кажутся нам наиболее ярко и пестро расцвеченными.

Если свет, падающий на какую-нибудь поверхность, полностью от нее отражается, эта поверхность выглядит белой. Если все лучи поглощаются, поверхность воспринимается как черная. Если же поглощаются только лучи определенной длины, то отражение остальных создает ощущение цвета. Например, кожура апельсина поглощает лучи синей части спектра. И мы видим апельсин оранжевым.

Окраска не всегда обусловлена избирательным поглощением света. Так металлический цвет листьев некоторых растений объясняется преломлением света и рассеянием его с поверхности особых «оптических» чешуек или клеток. Но в большинстве случаев ответственными за окраску являются пигменты.

Растительные пигменты – это крупные органические молекулы, поглощающие свет определенной длины волны. В большинстве случаев «ответственными» за появление окраски являются определенные участки этих молекул, называемые хромофорами. Обычно хромофорный фрагмент состоит из группы атомов, объединенных в цепи или кольца с чередующимися одинарными и двойными связями (–С=С–С=С–). Чем больше таких чередующихся связей, тем глубже окраска. Кроме того, поглощение света усиливается при наличии в молекуле кольцевых структур.

В растительных клетках чаще всего встречаются зеленые пигменты хлорофиллы, красные и синие антоцианы, желтые флавоны и флавонолы, желто-оранжевые каротиноиды и темные меланины. Каждая из этих групп представлена несколькими отличающимися по химическому строению, а следовательно, по поглощению света и окраске пигментами.

А еще цвет пигмента может меняться при изменении кислотности среды, температуры, при взаимодействии с различными веществами. Поэтому важное значение имеет химический состав клеток, особенно вакуолярного сока. Наконец, окраска растения зависит и от строения ткани, в которой содержатся пигменты: ее толщины, количества межклетников, плотности находящегося на поверхности клеток воскового налета…

В растительном мире широко распространен белый цвет: белые цветки, белые стебли, белые пятна на листьях. Белый красящий пигмент называется бетулин. Накапливаясь в клетках коры молодых деревьев, бетулин окрашивает ствол березы в тот прекрасный белый цвет, которым мы все восхищаемся. Но у других растений причиной белой окраски, например венчиков, являются обширные межклетники в сочетании с клетками, лишенными пигментов. Белый цвет им придает... воздух. В этом можно убедиться несколькими способами (Опыт 1).

А что определяет окраску розовых, сиреневых, синих и фиолетовых цветков? Как это ни удивительно, но эти цвета определяет одна группа пигментов – антоцианы, впервые выделенные из цветков василька синего.

Ярко-красные розы, голубые васильки, фиолетовые анютины глазки содержат растворенные в клеточном соке антоцианы. Яблоки, вишни, виноград, черника, голубика, сок листьев и стеблей гречихи, краснокочанной капусты, листьев и корнеплодов столовой свеклы, молодая красная кора эвкалипта, красные осенние листья своим цветом тоже обязаны антоцианам. Если орган растения имеет голубой, синий, фиолетовый цвет, то нет никакого сомнения в том, что его окраска обусловлена антоцианами.

Антоцианы – это гликозиды, возникающие при соединении различных сахаров с циклическими соединениями, называемыми антоцианидинами. Содержатся антоцианы в клеточном соке (вакуолях), значительно реже – в клеточных оболочках.

В присутствии щелочи в молекулах антоцианов происходит перегруппировка двойных и ординарных связей между атомами углерода, что приводит к образованию нового хромофора – в щелочной среде антоцианы приобретают синий или сине-зеленый цвет. Поэтому их можно использовать в качестве кислотно-щелочных индикаторов (Опыт 2). При действии минеральных и органических кислот антоцианы образуют соли красного, при действии щелочей – синего цвета. На цвет антоцианов влияет также способность этих пигментов образовывать комплексные соединения с металлами.

Рассмотрим теперь желтые пигменты, которые широко распространены в мире растений, но в некоторых случаях маскируются антоцианами, хлорофиллом и поэтому менее заметны.

Группа пигментов, способных придать клетке желтый или желто-оранжевый цвет, наиболее многочисленна – это каротиноиды, флавоны, флавонолы и некоторые другие. Флавоны и флавонолы – довольно устойчивые соединения, причем некоторые из них хорошо растворимы в горячей воде. Именно поэтому флавоновые пигменты были первыми красителями, которые наши предки использовали для окраски тканей. Близки к флавонам по строению другие красители желтого цвета – халконы и ауроны. В растениях они содержатся в цветках (лепестки, рыльца пестиков), листьях, плодах. Среди известных нам растений эти пигменты можно обнаружить в листьях и цветках кислицы, кореопсиса, львиного зева. Сосредоточены они в вакуолях эпидермальных клеток. Названия этих пигментов обычно происходят от названий растений, из которых они были впервые выделены. Например, кверцетин – пигмент коры и плодов дуба.

У некоторых, немногочисленных по сравнению с «антоциановой» группой, видов растений оранжевая и красно-коричневая окраска цветков (тагетес прямостоячий, настурция большая) или плодов (томаты, шиповник, ландыш майский) обусловлена не растворенными в клеточном соке антоцианами, а находящимися преимущественно в желтых и оранжевых пластидах (хромопластах) пигментами группы каротиноидов. Название этой группе, в честь одного из пигментов, содержащихся в оранжевых корнях моркови, дал биохимик растений М.С. Цвет. Каротиноиды содержатся практически во всех органах растений: в цветках, листьях, плодах и семенах. В листьях и зеленых плодах каротиноиды находятся в хлоропластах, где маскируются хлорофиллом, и в хромопластах.

Каротиноиды нерастворимы в воде, но хорошо извлекаются из пластид органическими растворителями (бензин, спирт). Их цвет, в отличие от антоцианов, не зависит от кислотности среды. У каротиноидов невозможно выделить какой-нибудь один характерный хромофорный фрагмент, потому что их молекулы включают цепочки атомов с чередующимися ординарными и двойными связями разной длины, – цепочке каждого типа соответствует свой индивидуальный хромофор. По мере удлинения цепи окраска пигментов изменяется от желтой к красной и даже красно-фиолетовой. В молекулах оранжевых и оранжево-красных пигментов β -каротина (пигмент моркови и сладкого перца), рубиксантина (пигмент шиповника) и ликопина (пигмент помидоров) имеется 11 двойных связей, чередующихся с ординарными, а в молекулах красного виолоксантина (пигмент некоторых красных фруктов) – 13.

Каротиноиды вместе с флавоновыми пигментами придают желтый цвет листьям и венчикам цветков огурца, тыквы, одуванчика, лютиков, купальницы, калужницы, чистотела, подсолнечника, плодам кукурузы, тыквы, кабачков, баклажанов, паслена, помидора, дыни, а также многих цитрусовых. Рекордсменом по числу каротиноидных пигментов является стручковый красный перец. А вот по концентрации каротиноидов чемпионами являются плоды абрикоса, корнеплоды моркови и листья петрушки.

Обычно в венчиках растений содержатся и антоцианы, и флавоны, и флавонолы. Например, в цветках львиного зева обнаружено два вида антоцианов (пеларгонидин и цианидин), два флавонола, в том числе кверцетин и несколько флавонов, например лютеолин – пигмент анютиных глазок.

А как обстоит дело с черными пигментами? Абсолютно черного пигмента у растений нет. В кожуре красных сортов винограда, лепестках некоторых цветков, черном чае, чаге (березовый гриб) содержатся черно-коричневые пигменты группы меланинов. Но в большинстве случаев, когда речь идет о черных цветках или плодах, мы имеем дело с накоплением темно-синих антоцианов.

Плоды черники, бузины черной, крушины выглядят черными, поскольку толстый слой окрашенных клеток мякоти полностью поглощает солнечный свет.

Коричневый цвет обусловлен накоплением в клетках больших количеств желтых пигментов, часто в сочетании с окрашенными в красно-коричневые тона дубильными веществами. Например, в плодах конского каштана обыкновенного, дуба черешчатого содержится очень много желтого пигмента кверцетина.

Причиной появления коричневой и черной окраски, кроме того, могут быть бесцветные вещества из группы катехинов. При окислении особыми ферментами они полимеризуются и дают «пищевые» дубильные вещества, окрашенные в красный и коричневый цвета. Катехины хорошо растворимы в горячей воде, накапливаются в вакуолях и в большом количестве содержатся в листьях многих растений, древесине, плодах, листьях (чай).

Самым главным пигментом растений, который обусловливает их принадлежность к отдельному зеленому царству, является, конечно же, хлорофилл. Он содержится в зеленых частях растений (от 0, 6 до 1, 2% от массы сухого листа).

В состав молекулы хлорофилла входит ион магния. В отличие от обширных групп антоцианов, каротиноидов, флавонов и флавонолов, в клетках всех высших растений имеется только две формы хлорофилла – зеленый с синеватым оттенком, хлорофилл а и зеленый с желтоватым оттенком, хлорофилл b. Хлорофилл a характерен для всех видов фотосинтезирующих растений. Хлорофилл b присутствует в листь-ях высших растений и в большинстве водорослей. Бурые водоросли, кроме того, содержат хлорофилл с, а красные – хлорофилл d.

Значительно реже встречаются в природе протохлорофиллы и хлорофиллиды. Зеленый цвет всех перечисленных пигментов обусловлен наличием в их молекулах ажурного порфиринового цикла, связанного с ионом магния, в чем можно убедиться, проведя простой опыт (Опыт 3).

Цвет хлорофилла, как и любого окрашенного вещества, обусловлен сочетанием тех лучей, которые пигмент не поглощает. Для растворов хлорофилла максимумы поглощения расположены в сине-фиолетовой (430 нм у хлорофилла а и 450 нм у хлорофилла b) и красной (660 нм у хлорофилла а и 650 нм у хлорофилла b) областях спектра. Эти лучи поглощаются хлорофиллом полностью. Голубые, желтые, оранжевые лучи поглощаются в гораздо меньшей степени, и их суммарное поглощение определяется общим количеством хлорофилла. Минимум поглощения лежит в зоне зеленых лучей. Совершенно не поглощается хлорофиллом только небольшая часть красных лучей, которые в спектре расположены на границе с инфракрасной областью. Это так называемые дальние красные лучи.

Избирательное поглощение хлорофиллом лучей разной части спектра можно пронаблюдать на опыте (Опыт 4) – по мере увеличения высоты столба жидкости в пробирке наблюдается изменение окраски раствора от ярко-зеленой до вишнево-красной. Значит, правы те, кто видел в густом лесу красное свечение, исходящее из-под полога леса.

Для листьев различного возраста, различных видов растений характерно многообразие оттенков зеленого цвета. Объясняется это тем, что в формировании окраски листа принимает участие не только хлорофилл, но и другие содержащиеся в листе пигменты: желтые каротиноиды, красные антоцианы. Убедиться в разнообразии окрашивающих лист пигментов можно на опыте (Опыт 5).