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12: Photosynthese und Pflanzenpigmente - Biologie

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Lernziele

Inhaltsziele

  • Verstehen Sie, dass Farben, die wir sehen, durch reflektiertes Licht bestimmt werden und beziehen Sie dies auf das Absorptionsspektrum von Pigmenten
  • Sehen Sie, wie die Photosynthese elektromagnetische Energie in chemische Energie umwandelt
  • Kennen Sie die Phasen, in denen Produkte und Reaktanten der Photosynthese hergestellt bzw. verwendet werden
  • Den Prozess der Photosynthese mit der Struktur eines Blattes in Verbindung bringen

Fertigkeitsziele

  • Verwenden Sie Dünnschichtchromatographie (DC), um zu bestimmen, welche Pigmente in Pflanzengeweben vorhanden sind
  • Bestimmen Sie die Rf-Werte von Pigmenten auf einem DC-Streifen
  • Bestimmen Sie die relative Polarität eines Pigments basierend auf der Polarität des DC-Lösungsmittels
  • Identifizieren Sie anatomische Strukturen in Blättern, die an der Photosynthese beteiligt sind, und erklären Sie ihre Funktion in diesem Prozess

Biosynthese von Pflanzenpigmenten: Anthocyane, Betalaine und Carotinoide

Pflanzenstoffe, die vom Menschen als farbig wahrgenommen werden, werden im Allgemeinen als „Pigmente“ bezeichnet. Ihre vielfältigen Strukturen und Farben faszinieren Chemiker und Biologen seit langem, die ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften, ihre Syntheseweise und ihre physiologische und ökologische Rolle untersucht haben. Pflanzenpigmente haben auch eine lange Geschichte der Verwendung durch den Menschen. Die wichtigsten Klassen von Pflanzenpigmenten, mit Ausnahme der Chlorophylle, werden hier besprochen. Anthocyane, eine Klasse von Flavonoiden, die letztendlich von Phenylalanin abgeleitet sind, sind wasserlöslich, werden im Zytosol synthetisiert und in Vakuolen lokalisiert. Sie bieten ein breites Farbspektrum von Orange/Rot bis Violett/Blau. Neben verschiedenen Modifikationen ihrer Struktur hängt ihre spezifische Farbe auch von Co-Pigmenten, Metallionen und dem pH-Wert ab. Sie sind im Pflanzenreich weit verbreitet. Auch die fettlöslichen, gelb- bis roten Carotinoide, eine Unterklasse der Terpenoide, sind in Pflanzen ubiquitär verbreitet. Sie werden in Chloroplasten synthetisiert und sind für die Integrität des Photosyntheseapparats unerlässlich. Betalaine, die auch gelbe bis rote Farben verleihen, sind stickstoffhaltige wasserlösliche Verbindungen, die von Tyrosin abgeleitet sind und nur in einer begrenzten Anzahl von Pflanzenlinien vorkommen. Im Gegensatz zu Anthocyanen und Carotinoiden ist der Biosyntheseweg der Betalaine nur teilweise verstanden. Alle drei Pigmentklassen wirken als sichtbare Signale, um Insekten, Vögel und Tiere zur Bestäubung und Samenverbreitung anzulocken. Außerdem schützen sie Pflanzen vor Schäden durch UV- und sichtbares Licht.


12: Photosynthese und Pflanzenpigmente - Biologie

Diese neue Ressource unterstützt die Verwendung von Praktika in verschiedenen neuen Biologiespezifikationen für das Abitur 2015 (OCR, AQA, Edexcel und Eduqas).

Die Studierenden führen einzeln oder paarweise Dünnschichtchromatographie (DC) durch, um die photosynthetischen Pigmente innerhalb einer halben Stunde aus Pflanzenmaterial zu trennen und zu identifizieren. Diese einfache Methode wurde entwickelt, um eine gute Trennung photosynthetischer Pigmente mit Lösungsmitteln zu erzielen, die für den Einsatz in einem schulbiologischen Labor geeignet sind. Durch die Verwendung von Gras von einem Schulrasen oder einem Spielfeld können die Schüler die Vielfalt der verschiedenen Moleküle sehen, die aus einer Pflanze getrennt werden können, mit der sie alle vertraut sind.

Diese Ressourcen und dieses Praktikum ermöglichen es den Studenten, ihr Verständnis von photosynthetischen Pigmenten und der Trennung von Molekülen durch Chromatographie zu entwickeln. Durch einfache Abstandsmessungen aus dem Chromatogramm zur Berechnung von Rf-Werten bietet diese praktische Möglichkeit eine gute Gelegenheit, das Konzept des prozentualen Fehlers einzuführen. Es bietet den Studierenden die Möglichkeit, ihre Fähigkeiten zur Durchführung quantitativer Messungen sowie ihre Fähigkeit, zu kontrollierende Variablen zu berücksichtigen, zu entwickeln (und zu demonstrieren).

Durch die vorgeschlagenen Fragen in den Begleitmaterialien für Lehrer (oder dem Schülerarbeitsblatt) können die Schüler ermutigt werden, die molekularen Eigenschaften der Pigmente und deren Zusammenhang mit ihrer chromatographischen Trennung zu untersuchen. Die Schüler könnten auch das Vorkommen von Pigmenten in verschiedenen pflanzlichen (oder tierischen) Materialien erforschen, indem sie entweder eigene Experimente entwerfen oder online recherchieren.

  • Getestete Materialien zur Unterstützung des A-Level-Practice-Endorsements (CPAC)
  • Unterstützungsmaterialien für Lehrer und Techniker
  • Schülerarbeitsblatt als Nachweis für die Erfüllung der Anforderungen an die praktischen Fähigkeiten
  • Prüfungsmaterialien für Schüler zur Vorbereitung auf Prüfungen

Unterstützende Materialien für weitere Schlüsselpraktika im Leistungsverzeichnis des Abiturs finden Sie auf der Hauptseite der Abitur-Set-Praktiken.


Photosynthetische Antennenpigmente (mit Diagramm)

In diesem Artikel werden wir über photosynthetische Antennenpigmente diskutieren. Nach dem Lesen dieses Artikels erfahren Sie Folgendes: 1. Zusammensetzung photosynthetischer Antennenpigmente 2. Rolle der Antenne bei der Photosynthese.

Zusammensetzung photosynthetischer Antennenpigmente:

Alle funktionellen Pigmente in photosynthetischen Membranen sind in einer Vielzahl von Pigment-Protein-Komplexen gebunden. Im Allgemeinen erfüllen photosynthetische Pigmente und Pigment-Protein-Komplexe zwei Hauptfunktionen. Sie fungieren entweder als Antennen oder als Reaktionszentrum. Die Antennen von Pflanzen bestehen aus einer Vielzahl proteingebundener Pigmentmoleküle, die Photonen absorbieren und ihre Energie an das Reaktionszentrum abgeben.

Diese Lichtsammelkomplexe werden von Polypeptiden gebildet, die Chlorophyll a, Chlorophyll b, Carotin und Xanthophyll binden.

Wenn die Pigmente sehr nahe beieinander liegen, ist es möglich, dass die Quantenenergie eines eingestrahlten Photons von einem Pigment auf das nächste übertragen wird. Ein Quant der Lichtenergie wird Photon genannt, während ein Quant der Anregungsenergie, das von einem Molekül zum nächsten übertragen wird, als Exziton bezeichnet wird.

Antennen von Pflanzen bestehen aus einem inneren und einem äußeren Teil. Der äußere oder periphere Teil, der durch den Lichtsammelkomplex (LHC) gebildet wird, sammelt das Licht. Der innere Teil der Antenne, der aus dem Kernkomplex besteht, ist in der Regel integraler Bestandteil des Reaktionszentrums und überträgt die im äußeren Teil der Antenne gesammelten Exzitonen in die photosynthetischen Reaktionszentren.

Der Mechanismus, durch den die Anregungsenergie vom lichtsammelnden Chlorophyll zum Reaktionszentrum übertragen wird, ist der Resonanztransfer. Dieser Vorgang wird auch als Forster-Transfer bezeichnet, nach dem Namen des Wissenschaftlers, der das Phänomen zuerst beschrieben hat.

Bei diesem Vorgang der Resonanzenergieübertragung in Antennenkomplexen werden Photonen nicht einfach von einem Molekül emittiert und von einem anderen absorbiert, sondern es handelt sich um einen nicht radioaktiven Vorgang, bei dem die Anregungsenergie von einem Molekül auf ein anderes übertragen wird.

Bei den Antennenpigmenten gibt es eine große Vielfalt, insbesondere bei den Algen. Im Gegensatz dazu gibt es Hinweise darauf, dass PSI- und PSII-Reaktionszentrumskomplexe in Natur, Zusammensetzung und Funktion unter allen sauerstoffhaltigen Photosyntheseorganismen hoch konserviert sind. In höheren Pflanzen und Algen haben PSI und PSII einzigartige Antennensysteme, die sich sowohl in der Pigment- als auch in der Proteinzusammensetzung unterscheiden.

Die Antennen beider Photosysteme lassen sich in zwei Gruppen einteilen:

Der Kern und die peripheren Antennenkomplexe. Beim PSI besteht die Kernantenne aus etwa 100-120 Chl a- und 15 β-Carotin-Molekülen, die im gleichen Komplex gebunden sind, der das Reaktionszentrum P700 enthält.

Die PSII-Kernantenne besteht aus zwei Pigment-Protein-Komplexen, CP 43 und CP 47, die vom PSII-Reaktionszentrumskomplex getrennt sind. Jeder bindet 20-25 Chl a und mehrere β-Carotin-Moleküle. Die Pigment- und Proteinkomponenten der Kernantenne sind unter den photosynthetischen Organismen einheitlich.

Es gibt Diversität in den äußeren peripheren Antennenkomplexen. Es gibt Hinweise darauf, dass Größe und Zusammensetzung der peripheren Antenne als Reaktion auf die Umgebungsbedingungen angepasst werden können. Bei höheren Pflanzen und Grünalgen bestehen die äußeren peripheren Antennen von PSI und PSII aus zwei Klassen von Chl a/b-Bindungsproteinen, die Lichtsammelkomplexe sind, die als LHCI bzw. LHCII bezeichnet werden und das Licht sammeln.

Die einzigartigen Eigenschaften der einzelnen peripheren Antennenproteine ​​können insbesondere bei PSII zu einer heterogenen Funktion führen. Die Antennen des PSII-Reaktionszentrums enthalten vier Lichtsammelkomplexe, nämlich LHCII a – d. Hauptbestandteil ist jedoch LHC IIb, das als Trimmer in der Membran vorkommt.

Das Monomer wird durch ein Polypeptid dargestellt, an das zwei Luteinmoleküle gebunden sind. Die Hauptkomplexe des LHC II fallen in zwei Gruppen – diejenigen, die eng mit PSII verbunden sind und die bei Phosphorylierung reversibel von PSII dissoziieren können.

Tatsächlich kann die Aktivität von LHC II durch Phosphorylierung durch ATP durch eine Proteinkinase reguliert werden, und ein Threoninrest am Polypeptid ist die Phosphorylierungsstelle. Darüber hinaus enthält PSII drei kleinere periphere Antennenkomplexe, CP29, CP26 und CP24, die Verbindungen zwischen der Hauptantenne des LHC und dem PSII-Kern bereitstellen.

Rolle der Antenne bei der Photosynthese:

A. Lichtsammelfunktion:

Alle photosynthetischen Pigmente, die entweder zum Reaktionszentrum oder zur Antenne gehören, können Sonnenlicht direkt absorbieren. Bei durchschnittlichen täglichen Lichtintensitäten liegt die Lichtabsorptionsrate durch ein Reaktionszentrumspigment allein weit unter der Kapazität für den photosynthetischen Elektronentransport und würde nicht genügend Energie liefern, um den Prozess voranzutreiben.

Daher ist eine effiziente Photosynthese nur möglich, wenn die Energie von Photonen verschiedener Wellenlängen über eine bestimmte Oberfläche mit Hunderten von Antennenpigmenten eingefangen wird.

Da die Hilfspigmente wie Chl b und Carotinoide zur Antenne gehören und Lichtwellenlängen absorbieren, die von Chl a nur schwach absorbiert werden, wird der Wellenlängenbereich, über den die Lichtabsorption erfolgen kann, breiter, wodurch die Effizienz der Lichtabsorption verbessert wird.

B. Schutz vor aktiven Sauerstoffspezies:

Der angeregte Singulett-Zustand von chla, der sich durch Lichtabsorption bildet, ist instabil und wird durch drei intrinsische Prozesse auf die niedrigste Energie (Grundzustand) zurückfallen.

Diese sind Intersystem Crossing in den Triplettzustand, Strahlungszerfall (Fluoreszenz) und thermische Emission (Wärme). Die Ausbeute an Triplett-Chl in der Antenne übersteigt bei weitem die im Reaktionszentrum erzeugte. Der Triplettzustand von Chl a kann die Bildung eines angeregten Singulettzustands von Sauerstoff ( 1 O2) über Triplett-Energieübertragung.

Der produzierte Singulett-Sauerstoff ist hochreaktiv und kann viele wichtige biologische Moleküle, insbesondere Lipide, oxidieren. In allen photosynthetischen Organismen wird dieses Problem durch die Anwesenheit von Carotinoiden in den Antennenkomplexen gelöst, die Chl-Triplett-Zustände schnell löschen. Die Löschreaktion beinhaltet den Triplett-Energietransfer von Chl a auf das Carotinoid, gefolgt von einer thermischen Dissipation der Triplett-Energie auf dem Carotinoid.

3 Chl* + Carotinoid → Chl + 3 Carotinoid* → Chl + Carotinoid + Hitze

Darüber hinaus können Carotinoide Singulett-Sauerstoff direkt durch eine ähnliche Triplett-Transferreaktion löschen.

1 O2 + Carotinoid → O2 + 3 Carotinoid* → O2 + Carotinoid + Hitze

Somit spielt das Carotinoid in photosynthetischen Antennen die wesentliche Rolle des Lichtschutzes, indem es die Bildung und Ansammlung von Singulett-O . verhindert2. Dies ist der Grund, warum Pflanzen ohne Carotinoide bei starken Lichtverhältnissen nicht wachsen und überleben können.

C. Regulierung der Lichtnutzung:

Bei Grenzlichtintensitäten ist die Photosyntheserate linear mit der einfallenden Lichtintensität. Mit zunehmender Lichtintensität wird die Photosyntheserate gesättigt und wird letztendlich unabhängig von der Lichtintensität. Es ist interessant festzustellen, dass angenommen wird, dass die Sättigung der Photosynthese auf eine Begrenzung der Kapazität der Dunkelreaktionen und nicht auf den photosynthetischen Elektronentransport zurückzuführen ist.

Andererseits bleibt die Photonenabsorptionsrate mit zunehmender Lichtintensität linear. Infolgedessen absorbieren Pflanzen, die unter übermäßiger Lichtintensität wachsen, immer Lichtenergie, die die Photosynthesekapazität übersteigt, um die Energie für CO . zu nutzen2 Fixierung. Somit ist eine übermäßige Lichtabsorption ein Problem, mit dem die Pflanzen im Feld häufig konfrontiert sind.

Betrachtet man die Kopplung zwischen Hell- und Dunkelreaktionen der Photosynthese, so wird deutlich, dass eine Einschränkung der photosynthetischen Dunkelreaktion durch eine langsamere Regeneration von NADP + , ADP und anorganischem Phosphat verursacht wird, was schließlich zu einer Hemmung des Elektronentransports führt.

Die anschließende Begrenzung der PSII-Reaktionszentren führt zu einer erhöhten Fluoreszenz und Triplettbildung, was zur Bildung von Singulett-O . führt2 mit gleichzeitiger oxidativer Schädigung.

Gleichzeitig ermöglicht die begrenzte Verfügbarkeit von NADP + molekularem O2 mit Ferredoxin als Akzeptor von PSI zu konkurrieren, was zur Produktion von Superoxid und anderen freien Radikalen führt, die ebenfalls oxidative Schäden verursachen. Die Antennenpigment-Protein-Komplexe spielen eine bedeutende Rolle bei der Regulierung der Nutzung der absorbierten Lichtenergie.

Dies wird durch den Energietransfer im angeregten Zustand zwischen den Antennenpigmenten erreicht, während die Schäden durch übermäßige Lichtabsorption entweder durch Energietransfer zu funktionellen Reaktionszentren (photochemisches Quenchen) oder durch zerstörungsfreie Dissipation überschüssiger Lichtenergie als Wärme (zerstörungsfrei) minimiert werden. photochemisches Abschrecken).

Somit wird eine optimale Lichtsammeleffizienz bei schlechten Lichtverhältnissen durch den Aufbau und die Zusammensetzung der Antenne bestimmt.

Es wurde ein Mechanismus vorgeschlagen, der die Komponenten der Löschreaktion in der Antenne und die Stelle, an der die Löschreaktion stattfindet, erklärt.

Es wurde eine Korrelation zwischen der Fähigkeit zum Quenchen und der Akkumulation des Carotinoids Zeaxanthin in der Thylakoidmembran beobachtet (Demming-Adams, 1990). Zeaxanthin wird in Thylakoiden durch reversible Deepoxidation von Violaxanthin (einem Diepoxid) über das Monoepoxid Antheraxanthin in einem so genannten Prozess gebildet “xanthophyll-Zyklus”.

Es wurde ferner festgestellt, dass die Deepoxidationsreaktion, die Zeaxanthin bildet, durch einen niedrigen pH-Wert des Thylakoidlumens begünstigt wird. Das Enzym Epoxidase, das Zeaxanthin in Violaxanthin umwandelt, hat ein pH-Optimum von 5,1 und seine Aktivität wird bei zu viel Licht begünstigt.

D. Regulierung der Energieverteilung vom PSII zum PSI:

Die relative Lichtsammelkapazität der beiden Photosysteme muss kontrolliert werden, um maximale Elektronentransportraten bei einer bestimmten Lichtintensität zu erreichen (Allen, 1992). Dies ist ein weiterer Mechanismus im Antennenkomplex zur Regulierung der Nutzung von Lichtenergie bei der Photosynthese.

Wenn NADP + aufgrund von starkem Licht oder aufgrund von Einschränkungen bei den Dunkelreaktionen limitierend wird, wird die PQH .-Rate2 die Oxidation durch PSI nimmt aufgrund des langsameren Elektronentransports durch das PSI ab.

Die Reduktion des PQ-Pools aktiviert eine Proteinkinase, die einen Pool der LHC-II-Komponente der Antenne phosphoryliert, und beinhaltet die laterale Bewegung des Phospho-LHC II von PSII in den angedrückten Regionen zu den Stroma-exponierten Regionen der Thylakoidmembran.

Phospho-LHC II ist dann in der Lage, auf Kosten des PSII mit dem PSI zu interagieren und Anregungsenergie an dieses abzugeben. Wenn der PQ-Pool oxidiert wird, wird die Kinase deaktiviert und der Prozess wird durch ein Phosphatase-Enzym über die Dephosphorylierung von Phospho-LHC II umgekehrt, wodurch der resultierende LHC II zurück in die angedrückten Membranregionen der Antenne wandert.


Blattmorphologie, Photosynthese und Pigmente ändern sich mit Alter und Sonnenlicht bei Savin-Wacholder

Dieser Artikel wurde zur Veröffentlichung angenommen und einer vollständigen Peer-Review unterzogen, jedoch nicht durch Lektorat, Satz, Paginierung und Korrekturlesen, was zu Unterschieden zwischen dieser Version und der Version of Record führen kann. Bitte zitieren Sie diesen Artikel als doi:10.1111/plb.13256

Abstrakt

Savin-Wacholder ist eine ausgezeichnete Art zur Bekämpfung der Wüstenbildung in ariden und semi-ariden Gebieten, wo sie sich typischerweise unter dem Schutz von Ammenpflanzen etabliert. Letztendlich treten etablierte Pflanzen während ihres Wachstums in das volle Sonnenlicht, und dieser Übergang wird von einer Zunahme des Übergewichts von schuppenartigen gegenüber nadelartigen Blattformen begleitet.

Um zu testen, wie sich Alter und wechselnde Sonnenlichtumgebungen auf die Schattentoleranz bei Savin-Wacholder auswirken, haben wir eine Topfstudie unter Feldbedingungen mit zwei Alterskohorten (1- und 4-jähriger bewurzelter Sprössling) und drei Sonnenlichtregimen (10%, 50% und .) durchgeführt 100 % Lichtdurchlässigkeit). Wir haben monatlich Wachstum, Blattparameter, Photosynthese, Chlorophyllfluoreszenz und Blattpigmente gemessen (sieben Wachstumsmonate pro Jahr, von 2015 bis 2017).

Insgesamt gab es für alle Variablen wenig Interaktion und sowohl Kohorten- als auch Lichtregime hatten signifikante Auswirkungen. Blattform und -abstand variierten kontinuierlich, tendierten zu kürzeren, enger zusammenstehenden und mehr angedrückten Schuppenblättern mit höherer trockener Blattmasse pro Fläche bei älteren Pflanzen oder bei stärkerer Sonneneinstrahlung. Es gab keine klaren altersbezogenen Muster bei Carotinoiden, aber sowohl Kohorte als auch Licht hatten signifikante Auswirkungen auf den Gasaustausch und die Chlorophyll-Fluoreszenzvariablen.

Savin Wacholder zeigt eine mittlere Toleranz gegenüber Schatten, die sich mit dem Wachstum ändert, da jüngere Pflanzen volle Sonne weniger vertragen als ältere Pflanzen, was mit seiner Abhängigkeit von Ammenpflanzen für die endgültige Etablierung im Freiland übereinstimmt.

Bitte beachten Sie: Der Herausgeber ist nicht verantwortlich für den Inhalt oder die Funktionalität der von den Autoren bereitgestellten unterstützenden Informationen. Alle Anfragen (außer fehlenden Inhalten) sollten an den entsprechenden Autor des Artikels gerichtet werden.

Akzeptierte, unbearbeitete online veröffentlichte und zitierfähige Artikel. Die endgültig bearbeitete und gesetzte Version des Datensatzes wird in Zukunft erscheinen.


Labor 4 Pflanzenpigmente

Einführung:
Ziel dieses Laborexperiments war es, Pflanzenpigmente mittels Papierchromatographie zu trennen und die Photosyntheserate in isolierten Chloroplasten zu messen. Durch die Kapillarwirkung bewegt sich das Lösungsmittel am Papier nach oben, wodurch die Pigmente in bestimmten Abständen sichtbar werden.

Die auf dem Papier sichtbaren Stoffe nennt man Pigmente. Chlorophyll a ist das Hauptpigment, das etwa 75 % der Pigmentierung in Pflanzen ausmacht. Chlorophyll b macht etwa 25 % der Pigmentierung aus. Und Carotine und Xanthophylle sind akzessorische Pigmente, die den Rest der Pigmentierung ausmachen. Carotin ist das am stärksten lösliche Pigment und wird daher am weitesten vom Lösungsmittel getragen. Das Papier zeigt ein Spektrum der in den Spinatblättern gefundenen Pigmente. Mit der Formel Rf kann man das Verhältnis zwischen der Strecke, die das Lösungsmittel zurückgelegt hat, und der Strecke, die das Pigment zurückgelegt hat, bestimmen.


Rf=Abstand l2igment migriert (mm) Abstand Lösungsmittelfront migriert

Licht ist ein Teil eines Kontinuums von Strahlungs- oder Energiewellen. Die Energie des sichtbaren Lichts wird bei der Photosynthese genutzt. Licht wird in den Blattpigmenten absorbiert, Elektronen in jedem Photosystem werden auf ein höheres Energieniveau angehoben, um ATP zu produzieren und NADP und NADPH zu reduzieren. Das ATP wird dann zur Kohlenstofffixierung verwendet. Dies ist der Einbau von CO2 in organische Moleküle.
Zur Messung der Lichtdurchlässigkeit in Chloroplasten wird ein Spektrophotometer verwendet. Der Grund für die Messung der Lichtdurchlässigkeit ist die Berechnung der Photosyntheserate in den Chloroplasten. Anstelle von NADP wird eine Lösung namens DPIP verwendet, um die Farbänderung der Chloroplastenlösungen zu beurteilen. Diese Technik ist als Farbstoffreduktion bekannt und testet die Hypothese, dass Licht und Chloroplasten erforderlich sind, damit Lichtreaktionen ablaufen.

Hypothese:
In diesem Experiment wird die Hypothese aufgestellt, dass die Küvette mit gekochten Chloroplasten und die im Dunkeln gehaltene Küvette mit ungekochten Chloroplasten sehr geringe Änderungen in der Lichtdurchlässigkeit aufweisen, während die Küvette mit ungekochten Chloroplasten, die dem Licht ausgesetzt wurden, eine zunehmend höhere prozentuale Lichtdurchlässigkeit aufweist Im Laufe der Zeit.

Materialen und Methoden:
Labor 4A:
Die Materialien, die in diesem Bereich des Labors verwendet wurden, waren: Filterpapier, Glasfläschchen, kleine Menge Lösungsmittel, ein Viertel und Spinatblätter. Der erste Schritt bestand darin, eine Spitze an einem Ende des Filterpapiers zu schneiden und eine Bleistiftlinie 1,5 cm von der Spitze dieser Spitze entfernt zu zeichnen. Als nächstes wurde ein Blattspinat auf den Papierstreifen gelegt und mit einem Viertel auf den Bleistiftstrich gerollt. Dadurch entsteht eine grüne Linie über dem Papier, die die Pigmente des Blattes enthält. Dann wurde der Papierstreifen mit der Spitze nach unten in das Fläschchen gelegt. Als das Pigment den Punkt 1 cm von der Oberseite des Fläschchens erreichte, wurde es entfernt. Die Lösemittelfront wurde dann schnell mit einem Bleistift markiert und dann wurde jede Pigmentfront ebenfalls markiert. Aus der Entfernung des Pigments und der Entfernung des Lösungsmittels wurde der Rf-Wert berechnet.

Labor 4B:
Die in diesem Labor verwendeten Materialien waren: ein Spektrophotometer, 4 Küvetten, Phosphatpuffer, destilliertes Wasser, gekochte Chloroplasten, ungekochte Chloroplasten und DPIP. Zuerst wurden die Küvetten mit 1-4 beschriftet und mit Linsenpapier gereinigt, da sogar das Öl von Ihren Händen die Lichtdurchlässigkeit durch die Küvette beeinflussen. Küvette 2 wurde dann mit Folie umwickelt, um den Inhalt im Dunkeln zu halten. Als nächstes wurde 1 ml Phosphatpuffer in alle vier Küvetten gegeben, 4 ml destilliertes Wasser wurden in die Küvette 1 gegeben, 3 ml destilliertes Wasser wurden in die Küvetten 2, 3 und 4 gegeben, und 1 ml DPIP wurde in die Küvetten 2, 3 gegeben. und 4. Dann wurden 3 Tropfen ungekochter Chloroplasten in die Küvette 1 gegeben, sie wurde mit Parafilm bedeckt, in das Spektrophotometer gegeben und auf 100 % Transmission eingestellt. Diese Küvette wurde auch zur Neukalibrierung zwischen den Ablesungen verwendet. Drei Tropfen ungekochter Chloroplasten wurden in Küvette 2 und 3 gegeben und drei Tropfen gekochter Chloroplasten wurden in Küvette 4 gegeben. Die Küvetten wurden dann mit Parafilm bedeckt. Jedes wurde in das Spektrophotometer gegeben, und die prozentuale Durchlässigkeit von jedem wurde alle fünf Minuten für 15 Minuten aufgezeichnet.


Ein Überblick über die Photosynthese

Einführung

Die Photosynthese ist die ultimative Nahrungs- und Sauerstoffquelle der Menschheit, während fossile photosynthetische Brennstoffe 87 % der Weltenergie liefern. Es ist der biochemische Prozess, der die Biosphäre als Grundlage für die Nahrungskette erhält. Der als Nebenprodukt der Photosynthese entstehende Sauerstoff ermöglichte die Bildung der Ozonschicht, die Entwicklung der aeroben Atmung und damit komplexes vielzelliges Leben.

Die sauerstoffreiche Photosynthese beinhaltet die Umwandlung von Wasser und CO2 in komplexe organische Moleküle wie Kohlenhydrate und Sauerstoff. Die Photosynthese kann in die „Hell“- und „Dunkel“-Reaktion unterteilt werden. Bei den Lichtreaktionen wird Wasser mit Licht in Sauerstoff, Protonen und Elektronen gespalten, bei den Dunkelreaktionen werden die Protonen und Elektronen zur CO .-Reduktion verwendet2 zu Kohlenhydrat (hier gegeben durch die allgemeine Formel CH2Ö). Die beiden Prozesse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Das positive Vorzeichen der Standardänderung der freien Energie der Reaktion (Δg°) oben angegeben bedeutet, dass die Reaktion Energie benötigt (eine endergonische Reaktion). Die benötigte Energie wird durch absorbierte Sonnenenergie bereitgestellt, die in die chemische Bindungsenergie der Produkte umgewandelt wird (Kasten 1).

Photosynthese wandelt 200 Milliarden Tonnen CO . um2 in komplexe organische Verbindungen und produziert jährlich 140 Milliarden Tonnen Sauerstoff in die Atmosphäre. Durch die Erleichterung der Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie fungiert die Photosynthese als primärer Energieeintrag in die globale Nahrungskette. Fast alle lebenden Organismen nutzen die komplexen organischen Verbindungen aus der Photosynthese als Energiequelle. Der Abbau dieser organischen Verbindungen erfolgt über den Prozess der aeroben Atmung, die natürlich auch den bei der Photosynthese produzierten Sauerstoff benötigt.

Im Gegensatz zur Photosynthese ist die aerobe Atmung eine exergonischer Prozess (negativg°) wobei die freigesetzte Energie vom Organismus verwendet wird, um biosynthetische Prozesse anzutreiben, die Wachstum und Erneuerung, mechanische Arbeit (wie Muskelkontraktion oder Flagellenrotation) ermöglichen und Veränderungen der chemischen Konzentration innerhalb der Zelle erleichtern (z. B. Ansammlung von Nährstoffen und Ausscheidung von Abfallstoffen) ). Die Verwendung exergonischer Reaktionen, um endergonische Reaktionen, die mit der Biosynthese und der Haushaltsführung in biologischen Organismen verbunden sind, so anzutreiben, dass die gesamte Änderung der freien Energie negativ ist, wird als „Kupplung'.

Photosynthese und Atmung sind also scheinbar das Gegenteil von einander, mit der wichtigen Einschränkung, dass sowohl die Sauerstoffbildung während der Photosynthese als auch seine Nutzung während der Atmung zu seiner Freisetzung bzw2. Darüber hinaus ist Glucose eines von mehreren möglichen Produkten der Photosynthese, wobei Aminosäuren und Lipide ebenfalls schnell aus den primären Photosyntheseprodukten synthetisiert werden.

Die Betrachtung von Photosynthese und Atmung als gegensätzliche Prozesse hilft uns, ihre Rolle bei der Gestaltung unserer Umwelt zu würdigen. Die Fixierung von CO2 durch Photosynthese und ihre Freisetzung beim Abbau organischer Moleküle während der Atmung, des Zerfalls und der Verbrennung von organischem Material und fossilen Brennstoffen kann als globaler Kohlenstoffkreislauf visualisiert werden (Abbildung 1).

Der globale Kohlenstoffkreislauf

Die Beziehung zwischen Atmung, Photosynthese und globalem CO2 und O2 Ebenen.

Die Beziehung zwischen Atmung, Photosynthese und globalem CO2 und O2 Ebenen.

Derzeit ist dieser Kreislauf aufgrund der Verbrennung fossiler Energieträger (fossilisierte Photosynthese) im Ungleichgewicht, wodurch sich der CO .-Anteil erhöht2 in die Erdatmosphäre eindringt, was zum sogenannten „Treibhauseffekt“ und dem vom Menschen verursachten Klimawandel führt.

Es wird angenommen, dass sich die sauerstoffhaltige Photosynthese nur einmal in der Erdgeschichte in den Cyanobakterien entwickelt hat. Alle anderen Organismen, wie Pflanzen, Algen und Kieselalgen, die Sauerstoff-Photosynthese betreiben, tun dies tatsächlich über cyanobakterielle Endosymbionten oder „Chloroplasten“. Es wird geschätzt, dass ein endosymbiotoisches Ereignis zwischen einer eukaryotischen Vorfahrenzelle und einem Cyanobakterium, das Pflanzen hervorgebracht hat, vor etwa 1,5 Milliarden Jahren stattgefunden hat. Frei lebende Cyanobakterien existieren noch heute und sind für 50% der weltweiten Photosynthese verantwortlich. Cyanobakterien selbst sollen sich aus einfacheren photosynthetischen Bakterien entwickelt haben, die entweder organische oder anorganische Verbindungen wie Schwefelwasserstoff anstelle von Wasser als Elektronenquelle verwenden und daher keinen Sauerstoff produzieren.

Der Ort der Photosynthese in Pflanzen

Bei Landpflanzen sind die Hauptorgane der Photosynthese die Blätter (Abbildung 2A). Blätter haben sich so entwickelt, dass sie den größtmöglichen Bereich des grünen Gewebes dem Licht und dem Eindringen von CO . aussetzen2 zum Blatt wird durch kleine Löcher in der unteren Epidermis gesteuert, die als Stomata bezeichnet werden (Abbildung 2B). Die Größe der Stomataöffnungen ist variabel und wird durch ein Paar Schließzellen reguliert, die auf den Turgordruck (Wassergehalt) des Blattes reagieren. Wenn das Blatt also hydratisiert ist, können sich die Stomata öffnen, um CO2 Im Gegensatz dazu verlieren die Schließzellen bei Wasserknappheit den Turgordruck und schließen sich, wodurch das Entweichen von Wasser aus dem Blatt durch Transpiration verhindert wird.

Standort der Photosynthesemaschinerie

(EIN) Die Modellanlage Arabidopsis thaliana. (B) Grundstruktur eines Flügels im Querschnitt dargestellt. Chloroplasten sind als grüne Punkte innerhalb der Zellen dargestellt. (C) Eine elektronenmikroskopische Aufnahme von an Arabidopsis Chloroplasten im Blatt. (D) Nahbereich des Chloroplasten, der die gestapelte Struktur der Thylakoidmembran zeigt.

(EIN) Die Modellanlage Arabidopsis thaliana. (B) Grundstruktur eines Flügels im Querschnitt dargestellt. Chloroplasten sind als grüne Punkte innerhalb der Zellen dargestellt. (C) Eine elektronenmikroskopische Aufnahme von an Arabidopsis Chloroplasten im Blatt. (D) Nahbereich des Chloroplasten, der die gestapelte Struktur der Thylakoidmembran zeigt.

Innerhalb des grünen Blattgewebes (hauptsächlich des Mesophylls) enthält jede Zelle (∼100 µm Länge) ∼100 Chloroplasten (2–3 µm Länge), die winzigen Organellen, in denen die Photosynthese stattfindet. Der Chloroplast hat eine komplexe Struktur (Abbildung 2C, D) mit zwei äußeren Membranen (der Hülle), die farblos sind und nicht an der Photosynthese teilnehmen, und umschließen einen wässrigen Raum (das Stroma), in dem sich eine dritte Membran befindet, die als Thylakoid bekannt ist umschließt wiederum einen einzigen kontinuierlichen wässrigen Raum, der Lumen genannt wird.

Die Lichtreaktionen der Photosynthese beinhalten lichtgetriebene Elektronen- und Protonenübertragungen, die in der Thylakoidmembran stattfinden, während die Dunkelreaktionen die Fixierung von CO . beinhalten2 über den Calvin-Benson-Zyklus, der im Stroma abläuft, in Kohlenhydrate umgewandelt (Abbildung 3). Die Lichtreaktionen beinhalten einen Elektronentransfer von Wasser auf NADP +, um NADPH zu bilden, und diese Reaktionen sind an Protonentransfers gekoppelt, die zur Phosphorylierung von Adenosindiphosphat (ADP) in ATP führen. Der Calvin-Benson-Zyklus verwendet ATP und NADPH, um CO . umzuwandeln2 in Kohlenhydrate (Abbildung 3), regeneriert ADP und NADP + . Die Hell- und Dunkelreaktionen sind daher wechselseitig voneinander abhängig.

Arbeitsteilung innerhalb des Chloroplasten

Die Lichtreaktionen der Photosynthese finden in der Thylakoidmembran statt, während die Dunkelreaktionen im Chloroplastenstroma lokalisiert sind.

Die Lichtreaktionen der Photosynthese finden in der Thylakoidmembran statt, während die Dunkelreaktionen im Chloroplastenstroma lokalisiert sind.

Photosynthetische Elektronen- und Protonenübertragungskette

Die lichtgetriebenen Elektronentransferreaktionen der Photosynthese beginnen mit der Wasserspaltung durch das Photosystem II (PSII). PSII ist ein in die Thylakoidmembran eingebetteter Chlorophyll-Protein-Komplex, der Wasser zu Sauerstoff oxidiert und den Elektronenakzeptor Plastochinon zu Plastochinol reduziert. Plastoquinol wiederum transportiert die aus dem Wasser stammenden Elektronen zu einem anderen in Thylakoid eingebetteten Proteinkomplex namens Cytochrom B6F (zytB6F). zytB6F oxidiert Plastochinol zu Plastochinon und reduziert ein kleines wasserlösliches Elektronenträgerprotein Plastocyanin, das sich im Lumen befindet. Eine zweite lichtgetriebene Reaktion wird dann von einem anderen Chlorophyll-Proteinkomplex namens Photosystem I (PSI) durchgeführt. PSI oxidiert Plastocyanin und reduziert ein weiteres lösliches Elektronenträgerprotein Ferredoxin, das sich im Stroma befindet. Ferredoxin kann dann vom Enzym Ferredoxin-NADP + -Reduktase (FNR) verwendet werden, um NADP + zu NADPH zu reduzieren. Dieses Schema ist als linearer Elektronentransferweg oder Z-Schema bekannt (Abbildung 4).

Die photosynthetische Elektronen- und Protonenübertragungskette

Der lineare Elektronentransferweg von Wasser zu NADP + zur Bildung von NADPH führt zur Bildung eines Protonengradienten über die Thylakoidmembran, der vom ATP-Synthase-Enzym zur Herstellung von ATP verwendet wird.

Der lineare Elektronentransferweg von Wasser zu NADP + zur Bildung von NADPH führt zur Bildung eines Protonengradienten über die Thylakoidmembran, der vom ATP-Synthase-Enzym zur Herstellung von ATP verwendet wird.

Das so genannte Z-Schema, das auf die Seite gedreht dem Buchstaben 'Z' ähnelt (Abbildung 5), zeigt also, wie sich die Elektronen vom Wasser-Sauerstoff-Paar (+820 mV) über eine Kette von Redoxträgern zu NADP + /NADPH (−320 mV) beim photosynthetischen Elektronentransfer. Im Allgemeinen werden Elektronen von Redoxpaaren mit niedrigem Potential (gute Reduktionsmittel) auf solche mit höherem Potential (gute Oxidationsmittel) übertragen (z. B. beim respiratorischen Elektronentransfer in Mitochondrien), da dieser Prozess exergonisch ist (siehe Kasten 2). Der photosynthetische Elektronentransfer umfasst jedoch auch zwei endergonische Schritte, die am PSII und am PSI ablaufen und einen Energieeintrag in Form von Licht erfordern. Die Lichtenergie wird verwendet, um ein Elektron innerhalb eines Chlorophyllmoleküls, das sich in PSII oder PSI befindet, auf ein höheres Energieniveau anzuregen. Dieses angeregte Chlorophyll kann dann die nachfolgenden Akzeptoren in der Kette reduzieren. The oxidized chlorophyll is then reduced by water in the case of PSII and plastocyanin in the case of PSI.

Z-scheme of photosynthetic electron transfer

The main components of the linear electron transfer pathway are shown on a scale of redox potential to illustrate how two separate inputs of light energy at PSI and PSII result in the endergonic transfer of electrons from water to NADP + .

The main components of the linear electron transfer pathway are shown on a scale of redox potential to illustrate how two separate inputs of light energy at PSI and PSII result in the endergonic transfer of electrons from water to NADP + .

The water-splitting reaction at PSII and plastoquinol oxidation at cytB6F result in the release of protons into the lumen, resulting in a build-up of protons in this compartment relative to the stroma. The difference in the proton concentration between the two sides of the membrane is called a proton gradient. The proton gradient is a store of free energy (similar to a gradient of ions in a battery) that is utilized by a molecular mechanical motor ATP synthase, which resides in the thylakoid membrane (Figure 4). The ATP synthase allows the protons to move down their concentration gradient from the lumen (high H + concentration) to the stroma (low H + concentration). This exergonic reaction is used to power the endergonic synthesis of ATP from ADP and inorganic phosphate (Pich). This process of photophosphorylation is thus essentially similar to oxidative phosphorylation, which occurs in the inner mitochondrial membrane during respiration.

An alternative electron transfer pathway exists in plants and algae, known as cyclic electron flow. Cyclic electron flow involves the recycling of electrons from ferredoxin to plastoquinone, with the result that there is no net production of NADPH however, since protons are still transferred into the lumen by oxidation of plastoquinol by cytB6F, ATP can still be formed. Thus photosynthetic organisms can control the ratio of NADPH/ATP to meet metabolic need by controlling the relative amounts of cyclic and linear electron transfer.


Photosynthese

Photosynthesis, Volume 1: Energy Conversion by Plants and Bacteria tackles the conversion of light energy into the production of ATP and NADPH in both plants and bacteria. The various aspects of the energy conversion process in plants and bacteria are thoroughly discussed in this volume. The concepts and terms employed in the book are used integrally, except when a process is unique to one system. This book, which comprises of six parts, emphasizes both the biochemical and biophysical aspects of photosynthesis. It includes a review of the historical development of major concepts, an analysis of experimental data, and an exposition of subsequent findings. The first part of this book serves as the foundation of basic terms and concepts that will be used all throughout in this book. Part II deals with the structure and function, whereas Part III with the primary photochemistry. Part IV is about electron transport, while Part V focuses on photophosphorylation. The last part deals with the biosynthesis of pigments. This book will be a great reference for researchers. It will also be an introductory work for students in cell biology, physiology, biochemistry, and biophysics.

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Accessory Pigments

Accessory pigments play an important role in the process of photosynthesis. This article gives you more information about them.

Accessory pigments play an important role in the process of photosynthesis. This article gives you more information about them.

The compounds present in plants that, in a way, assist in the absorption of light during the process of photosynthesis, are accessory pigments. As their name suggests, they act as helpers or assist chlorophyll in absorption of light. These may be chlorophyll variants or other classes. There are different kinds present in plants that have been discovered recently.

What are Accessory Pigments?

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Photosynthetic pigments are broadly categorized into three classes. Sie sind

These classes are further divided into various sub-classes. Amongst these, chlorophyll has various types such as chlorophyll a, chlorophyll b (found in green algae), and chlorophyll c (found in members of Chromista and dinoflagellates). Chlorophyll a is the most important one, and the rest are therefore termed as accessory pigments. Chlorophyll ones have a porphyrin ring, within which electrons can move freely. Due to this property of these rings, they can lose or gain electrons, and therefore are capable of capturing light.

Carotenoids are also accessory pigments, which are red, orange, and yellow in color. They are abundantly found in plants and are present in chloroplasts. There are around 600 types of carotenoids. These are made up of two, six carbon rings, that are connected by carbon atoms. Carotenoids are incapable of transferring the absorbed light to the photosynthetic pathway. Thus, the energy that is absorbed by them is transferred to chlorophyll a, through various reactions, which then transfers energy into the photosynthetic pathway. They are present in the chloroplasts and chromoplasts of plants. They are further classified as xanthophylls, which contain oxygen and carotenes, which are basically just hydrocarbons with no oxygen. They are found in various plants and also types of algae, fungi, and bacteria.

Phycobilins are water soluble and they are present in the cytoplasm or the stroma of the chloroplasts. They are only found in cyanobacteria and rhodophyta. The four types of phycobilins are phycoerythrobilin, phycourobilin, phycoviolobilin, and phycocyanobilin.

What is the Function of Accessory Pigments?

To understand their function, it is necessary to know the chloroplast structure and function, that plays an important role in the process of photosynthesis. Chlorophyll is the primary pigment that intercepts sunlight to utilize it for the process of photosynthesis. All of them have different absorption spectra, that is, they absorb light at different wavelengths. The porphyrin ring of chlorophyll absorbs yellow as well as blue wavelengths, and reflects green wavelengths. They absorb light from different wavelengths (carotenoids absorb the green wavelength along with chlorophyll b), which are not readily absorbed by chlorophyll.

Hence, their basic function is transferring energy to chlorophyll a. Chlorophyll a then triggers chemical reactions in the chloroplasts, known as the light dependent process of photosynthesis or just Light Reactions. Products of these reactions are then utilized in the Dark Reactions der Photosynthese. Carotenoids are the most important ones in the process of photosynthesis. The carbon bonds in the two rings of carotenoids interact with each other, this is the conjugated system. This system makes the movement of electrons relatively free, and it therefore becomes energy conserving. As a result, the range of energies of light that is absorbed, decrease. More light is absorbed from the short end of the spectrum, hence giving the pigment a red appearance.

In aquatic ecosystem, the absorption spectrum of pigments differs due to the presence of water and other organic and dissolved matter. It is the phycocyanin that absorbs wavelengths of red, and therefore cyanobacteria can survive in dark inland water.

Thus, it is the presence of these accessory pigments in plants that makes it possible for the plants to absorb a wide range of wavelengths from the visible spectrum. Thus, they play a vital role in the survival of photosynthetic plants and contribute a lot more to the ecosystem as well.

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Inhalt

See conjugated systems for electron bond chemistry that causes these molecules to have pigment.

    /porphyrin-based: chlorophyll, bilirubin, hemocyanin, hemoglobin, myoglobin Light-emitting: luciferin :
      (algal pigments, mixes of carotenoids and their derivates) : alpha and beta carotene, lycopene, rhodopsin : canthaxanthin, zeaxanthin, lutein

    The primary function of pigments in plants is photosynthesis, which uses the green pigment chlorophyll and several colorful pigments that absorb as much light energy as possible. [4] [5] Pigments are also known to play a role in pollination where pigment accumulation or loss can lead to floral color change, signaling to pollinators which flowers are rewarding and contain more pollen and nectar. [6]

    Plant pigments include many molecules, such as porphyrins, carotenoids, anthocyanins and betalains. Alle biologischen Pigmente absorbieren selektiv bestimmte Wellenlängen des Lichts, während sie andere reflektieren. [4] [5]

    The principal pigments responsible are:

    • Chlorophyll is the primary pigment in plants it is a chlorin that absorbs blue and red wavelengths of light while reflecting a majority of green. It is the presence and relative abundance of chlorophyll that gives plants their green color. All land plants and green algae possess two forms of this pigment: chlorophyll ein und Chlorophyll B. Kelps, diatoms, and other photosynthetic heterokonts contain chlorophyll C Anstatt von B, while red algae possess only chlorophyll ein. All chlorophylls serve as the primary means plants use to intercept light in order to fuel photosynthesis.
    • Carotenoids are red, orange, or yellow tetraterpenoids. During the process of photosynthesis, they have functions in light-harvesting (as accessory pigments), in photoprotection (energy dissipation via non-photochemical quenching as well as singlet oxygen scavenging for prevention of photooxidative damage), and also serve as protein structural elements. In higher plants, they also serve as precursors to the plant hormone abscisic acid.
    • Betalains are red or yellow pigments. Like anthocyanins they are water-soluble, but unlike anthocyanins they are synthesized from tyrosine. This class of pigments is found only in the Caryophyllales (including cactus and amaranth), and never co-occur in plants with anthocyanins. [5] Betalains are responsible for the deep red color of beets.
    • Anthocyane (literally "flower blue") are water-solubleflavonoidpigments that appear red to blue, according to pH. They occur in all tissues of higher plants, providing color in leaves, plant stem, roots, flowers, and fruits, though not always in sufficient quantities to be noticeable. Anthocyanins are most visible in the petals of flowers of many species. [5]

    Plants, in general, contain six ubiquitous carotenoids: neoxanthin, violaxanthin, antheraxanthin, zeaxanthin, lutein and β-carotene. [7] Lutein is a yellow pigment found in fruits and vegetables and is the most abundant carotenoid in plants. Lycopene is the red pigment responsible for the color of tomatoes. Other less common carotenoids in plants include lutein epoxide (in many woody species), lactucaxanthin (found in lettuce), and alpha carotene (found in carrots). [8]

    A particularly noticeable manifestation of pigmentation in plants is seen with autumn leaf color, a phenomenon that affects the normally green leaves of many deciduous trees and shrubs whereby they take on, during a few weeks in the autumn season, various shades of red, yellow, purple, and brown. [9]

    Chlorophylls degrade into colorless tetrapyrroles known as nonfluorescent chlorophyll catabolites (NCCs). [10] As the predominant chlorophylls degrade, the hidden pigments of yellow xanthophylls and orange beta-carotene are revealed. These pigments are present throughout the year, but the red pigments, the anthocyanins, are synthesized de novo once roughly half of chlorophyll has been degraded. The amino acids released from degradation of light harvesting complexes are stored all winter in the tree's roots, branches, stems, and trunk until next spring when they are recycled to re‑leaf the tree.

    Algae are very diverse photosynthetic organisms, which differ from plants in that they are aquatic organisms, they do not present vascular tissue and do not generate an embryo. However, both types of organisms share the possession of photosynthetic pigments, which absorb and release energy that is later used by the cell. These pigments in addition to chlorophylls, are phycobiliproteins, fucoxanthins, xanthophylls and carotenes, which serve to trap the energy of light and lead it to the primary pigment, which is responsible for initiating oxygenic photosynthesis reactions.

    Algal phototrophs such as dinoflagellates use peridinin as a light harvesting pigment. While carotenoids can be found complexed within chlorophyll-binding proteins such as the photosynthetic reaction centers and light-harvesting complexes, they also are found within dedicated carotenoid proteins such as the orange carotenoid protein of cyanobacteria.

    -Phycoerythrin red-purple pigment, it is the dominant one in the species that have a red-purple color.

    Bacteria produce pigments such as carotenoids, melanin, violacein, prodigiosin, pyocyanin, actinorhodin, and zeaxanthin. Cyanobacteria produce phycocyanin, phycoerythrin, scytonemine, chlorophyll a, chlorophyll d, and chlorophyll f. Purple sulfur bacteria produce bacteriochlorophyll a and bacteriochlorophyll b. [11] In cyanobacteria, many other carotenoids exist such as canthaxanthin, myxoxanthophyll, synechoxanthin, and echinenone.

    -Phycocyanin blue-green pigment, is the dominant pigment in cyanobacteria

    Most of the hemoglobin is removed when animals are slaughtered and bled. Thus, in properly bled muscle tissue myoglobin is responsible for 90% or more of the pigmentation. The myoglobin quantity varies considerably among muscle tissues and is influenced by species, age, sex, and physical activity.

    Pigmentation is used by many animals for protection, by means of camouflage, mimicry, or warning coloration. Some animals including fish, amphibians and cephalopods use pigmented chromatophores to provide camouflage that varies to match the background.

    Pigmentation is used in signalling between animals, such as in courtship and reproductive behavior. For example, some cephalopods use their chromatophores to communicate.

    The photopigment rhodopsin intercepts light as the first step in the perception of light.

    Skin pigments such as melanin may protect tissues from sunburn by ultraviolet radiation.

    However, some biological pigments in animals, such as heme groups that help to carry oxygen in the blood, are colored as a result of happenstance. Their color does not have a protective or signalling function.

    Diseases and conditions Edit

    A variety of diseases and abnormal conditions that involve pigmentation are in humans and animals, either from absence of or loss of pigmentation or pigment cells, or from the excess production of pigment.

      is an inherited disorder characterized by total or partial loss of melanin. Humans and animals that suffer from albinism are called "albinistic" (the term "albino" is also sometimes used, but may be considered offensive when applied to people). , also called "fish scale disease", is an inherited condition in which one symptom is excess production of melanin. The skin is darker than normal, and is characterized by darkened, scaly, dry patches. is a condition in which dark brown patches of pigment appear on the face, influenced by hormonal changes. When it occurs during a pregnancy, this condition is called the mask of pregnancy.
    • ocular pigmentation is an accumulation of pigment in the eye, and may be caused by latanoprost medication. [12] is a condition in which there is a loss of pigment-producing cells called melanocytes in patches of skin.

    Pigments in marine animals Edit

    Carotenoids and carotenoproteins Edit

    Carotenoids are the most common group of pigments found in nature. [13] Over 600 different kinds of carotenoids are found in animals, plants, and microorganisms.

    Animals are incapable of making their own carotenoids and thus rely on plants for these pigments. Carotenoproteins are especially common among marine animals. These complexes are responsible for the various colors (red, purple, blue, green, etc.) to these marine invertebrates for mating rituals and camouflage. There are two main types of carotenoproteins: Type A and Type B. Type A has carotenoids (chromogen) which are stoichiometrically associated with a simple protein (glycoprotein). The second type, Type B, has carotenoids which are associated with a lipo protein and is usually less stable. While Type A is commonly found in the surface (shells and skins) of marine invertebrates, Type B is usually in eggs, ovaries, and blood. The colors and characteristic absorption of these carotenoprotein complexes are based upon the chemical binding of the chromogen and the protein subunits.

    For example, the blue carotenoprotein, linckiacyanin has about 100-200 carotenoid molecules per every complex. [14] In addition, the functions of these pigment-protein complexes also change their chemical structure as well. Carotenoproteins that are within the photosynthetic structure are more common, but complicated. Pigment-protein complexes that are outside of the photosynthetic system are less common, but have a simpler structure. For example, there are only two of these blue astaxanthin-proteins in the jellyfish, Velella velella, contains only about 100 carotenoids per complex. [ Zitat benötigt ]

    A common carotenoid in animals is astaxanthin, which gives off a purple-blue and green pigment. Astaxanthin's color is formed by creating complexes with proteins in a certain order. For example, the crustochrin has approximately 20 astaxanthin molecules bonded with protein. When the complexes interact by exciton-exciton interaction, it lowers the absorbance maximum, changing the different color pigments.

    In lobsters, there are various types of astaxanthin-protein complexes present. The first one is crustacyanin (max 632 nm), a slate-blue pigment found in the lobster's carapace. The second one is crustochrin (max 409), a yellow pigment which is found on the outer layer of the carapace. Lastly, the lipoglycoprotein and ovoverdin forms a bright green pigment that is usually present in the outer layers of the carapace and the lobster eggs [15] [16]

    Tetrapyrroles Edit

    Tetrapyrroles are the next most common group of pigments. [ Zitat benötigt ] They have four pyrrole rings, each ring consisting of C4h4NH. The main role of the tetrapyrroles is their connection in the biological oxidation process. Tetrapyrroles have a major role in electron transport and act as a replacement for many enzymes. They also have a role in the pigmentation of the marine organism's tissues.

    Melanin Edit

    Melanin [17] is a class of compounds that serves as a pigment with different structures responsible for dark, tan, yellowish / reddish pigments in marine animals. It is produced as the amino acid tyrosine is converted into melanin, which is found in the skin, hair, and eyes. Derived from aerobic oxidation of phenols, they are polymers.

    There are several different types of melanins considering that they are an aggregate of smaller component molecules, such as nitrogen containing melanins. There are two classes of pigments: black and brown insoluble eumelanins, which are derived from aerobic oxidation of tyrosine in the presence of tyrosinase, and the alkali-soluble phaeomelanins which range from a yellow to red brown color, arising from the deviation of the eumelanin pathway through the intervention of cysteine and/or glutathione. Eumelanins are usually found in the skin and eyes. Several different melanins include melanoprotein (dark brown melanin that is stored in high concentrations in the ink sac of the cuttlefish Sepia Officianalis), echinoidea (found in sand dollars, and the hearts of sea urchins), holothuroidea (found in sea cucumbers), and ophiuroidea (found in brittle and snake stars). These melanins are possibly polymers which arise from the repeated coupling of simple bi-polyfunctional monomeric intermediates, or of high molecular weights. The compounds benzothiazole and tetrahydroisoquinoline ring systems act as UV-absorbing compounds.

    Biolumineszenz Bearbeiten

    The only light source in the deep sea, marine animals give off visible light energy called bioluminescence, [18] a subset of chemiluminescence. This is the chemical reaction in which chemical energy is converted to light energy. It is estimated that 90% of deep-sea animals produce some sort of bioluminescence. Considering that a large proportion of the visible light spectrum is absorbed before reaching the deep sea, most of the emitted light from the sea-animals is blue and green. However, some species may emit a red and infrared light, and there has even been a genus that is found to emit yellow bioluminescence. The organ that is responsible for the emission of bioluminescence is known as photophores. This type is only present in squid and fish, and is used to illuminate their ventral surfaces, which disguise their silhouettes from predators. The uses of the photophores in the sea-animals differ, such as lenses for controlling intensity of color, and the intensity of the light produced. Squids have both photophores and chromatophores which controls both of these intensities. Another thing that is responsible for the emission of bioluminescence, which is evident in the bursts of light that jellyfish emit, start with a luciferin (a photogen) and ends with the light emitter (a photagogikon.) Luciferin, luciferase, salt, and oxygen react and combine to create a single unit called photo-proteins, which can produce light when reacted with another molecule such as Ca+. Jellyfish use this as a defense mechanism when a smaller predator is attempting to devour a jellyfish, it will flash its lights, which would therefore lure a larger predator and chase the smaller predator away. It is also used as mating behavior.

    In reef-building coral and sea anemones, they fluoresce light is absorbed at one wavelength, and re-emitted at another. These pigments may act as natural sunscreens, aid in photosynthesis, serve as warning coloration, attract mates, warn rivals, or confuse predators.

    Chromatophores Edit

    Chromatophores are color pigment changing cells that are directly stimulated by central motor neurons. They are primarily used for quick environmental adaptation for camouflaging. The process of changing the color pigment of their skin relies on a single highly developed chromatophore cell and many muscles, nerves, glial and sheath cells. Chromatophores contract and contain vesicles that stores three different liquid pigments. Each color is indicated by the three types of chromatophore cells: erythrophores, melanophores, and xanthophores. The first type is the erythrophores, which contains reddish pigments such as carotenoids and pteridines. The second type is the melanophores, which contains black and brown pigments such as the melanins. The third type is the xanthophores which contains yellow pigments in the forms of carotenoids. The various colors are made by the combination of the different layers of the chromatophores. These cells are usually located beneath the skin or scale the animals. There are two categories of colors generated by the cell – biochromes and schematochromes. Biochromes are colors chemically formed microscopic, natural pigments. Their chemical composition is created to take in some color of light and reflect the rest. In contrast, schematochromes (structural colors) are colors created by light reflections from a colorless surface and refractions by tissues. Schematochromes act like prisms, refracting and dispersing visible light to the surroundings, which will eventually reflect a specific combination of colors. These categories are determined by the movement of pigments within the chromatophores. The physiological color changes are short-term and fast, found in fishes, and are a result from an animal's response to a change in the environment. In contrast, the morphological color changes are long-term changes, occurs in different stages of the animal, and are due to the change of numbers of chromatophores. To change the color pigments, transparency, or opacity, the cells alter in form and size, and stretch or contract their outer covering.

    Photo-protective pigments Edit

    Due to damage from UV-A and UV-B, marine animals have evolved to have compounds that absorb UV light and act as sunscreen. Mycosporine-like amino acids (MAAs) can absorb UV rays at 310-360 nm. Melanin is another well-known UV-protector. Carotenoids and photopigments both indirectly act as photo-protective pigments, as they quench oxygen free-radicals. They also supplement photosynthetic pigments that absorb light energy in the blue region.

    Defensive role of pigments Edit

    It's known that animals use their color patterns to warn off predators, however it has been observed that a sponge pigment mimicked a chemical which involved the regulation of moulting of an amphipod that was known to prey on sponges. So whenever that amphipod eats the sponge, the chemical pigments prevents the moulting, and the amphipod eventually dies.

    Environmental influence on color Edit

    Coloration in invertebrates varies based on the depth, water temperature, food source, currents, geographic location, light exposure, and sedimentation. For example, the amount of carotenoid a certain sea anemone decreases as we go deeper into the ocean. Thus, the marine life that resides on deeper waters is less brilliant than the organisms that live in well-lit areas due to the reduction of pigments. In the colonies of the colonial ascidian-cyanophyte symbiosis Trididemnum solidum, their colors are different depending on the light regime in which they live. The colonies that are exposed to full sunlight are heavily calcified, thicker, and are white. In contrast the colonies that live in shaded areas have more phycoerythrin (pigment that absorbs green) in comparison to phycocyanin (pigment that absorbs red), thinner, and are purple. The purple color in the shaded colonies are mainly due to the phycobilin pigment of the algae, meaning the variation of exposure in light changes the colors of these colonies.

    Adaptive Farbgebung Bearbeiten

    Aposematism is the warning coloration to signal potential predators to stay away. In many chromodrorid nudibranchs, they take in distasteful and toxic chemicals emitted from sponges and store them in their repugnatorial glands (located around the mantle edge). Predators of nudibranchs have learned to avoid these certain nudibranchs based on their bright color patterns. Preys also protect themselves by their toxic compounds ranging from a variety of organic and inorganic compounds.

    Physiological activities Edit

    Pigments of marine animals serve several different purposes, other than defensive roles. Some pigments are known to protect against UV (see photo-protective pigments.) In the nudibranch Nembrotha Kubaryana, tetrapyrrole pigment 13 has been found to be a potent antimicrobial agent. Also in this creature, tamjamines A, B, C, E, and F has shown antimicrobial, antitumor, and immunosuppressive activities.

    Sesquiterpenoids are recognized for their blue and purple colors, but it has also been reported to exhibit various bioactivities such as antibacterial, immunoregulating, antimicrobial, and cytotoxic, as well as the inhibitory activity against cell division in the fertilized sea urchin and ascidian eggs. Several other pigments have been shown to be cytotoxic. In fact, two new carotenoids that were isolated from a sponge called Phakellia stelliderma showed mild cytotoxicity against mouse leukemia cells. Other pigments with medical involvements include scytonemin, topsentins, and debromohymenialdisine have several lead compounds in the field of inflammation, rheumatoid arthritis and osteoarthritis respectively. There's evidence that topsentins are potent mediators of immunogenic inflation, and topsentin and scytonemin are potent inhibitors of neurogenic inflammation.

    Pigments may be extracted and used as dyes.

    Pigments (such as astaxanthin and lycopene) are used as dietary supplements.


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