Пигментация растений обусловленная антоцианами не зависит

Обновлено: 24.04.2024

Что в природе может быть прекраснее, чем цветущее растение. Этой красоте мы обязаны группе флавоноидов, которая получила название антоцианов.

Моя работа актуальна, поскольку одним из самых значимых направлений химических и биологических исследований на сегодняшний день является изучение пигментов растений, в частности антоцианов. Кроме того, данным пигментам, не смотря на огромный интерес с точки зрения науки и промышленности, в школе уделяется мало внимания, что на мой взгляд, несправедливо. Поэтому целью моей работы стало изучение свойств антоцианов, их экспериментальное подтверждение и систематизирование полученных данных. При этом я установила следующие задачи:

рассмотреть строение антоцианов;
изучить физические и химические свойства антоцианов;
рассмотреть области применения антоцианов;
определить, какие функции выполняют антоцианы в организме растений и человека;
исследовать химические свойства антоцианов в школьной лаборатории.

Антоцианы — растительные пигменты. Окраска растения зависит от структуры и концентрации антоцианов; от pH в вакуолях, от наличия ко-пигментов, стабилизирующих антоциановую окраску, от наличия ионов металлов, с которыми антоцианы могут образовывать комплексы, от локализации антоцианов в тканях растений и формы клеток эпидермиса. В биосинтезе антоцианов участвуют гены трёх типов (структурные, регуляторные, транспортеры) и ферменты. Сегодня существуют 2 метода, с помощью которых можно модифицировать окраску растений: методы селекции и методы генетической инженерии.

Антоцианы защищают растения от холода, от загазованности воздуха из-за вредных выбросов заводов, от их поедания животными, участвуют в дыхании, привлекают насекомых-опылителей. Лейкоантоцианы являются резервными соединениями антоцианов. Антоцианы обладают широким спектром биологической активности. Они поддерживают нормальное состояние кровяного давления и сосудов, способствуют быстрому выведению радиоактивных элементов из организма, способны улучшать зрение. Важно потреблять не менее 15 мл соединения в день.

На картинке — листья клена остролистого (Acer platanoides), уже почувствовавшего наступление осени. Красный цвет листьев обуславливается разрушением зеленого пигмента хлорофилла и накоплением красных растительных пигментов — антоцианов.

Сентябрь уже перевалил за середину, и в ближайшее время нас ждет воспетая поэтами и увековеченная художниками «унылая пора, очей очарованье». И хотя мы понимаем, что, если листья на деревьях желтеют, краснеют и начинают опадать, зима уже близко, наш глаз, как и глаз Александра Сергеевича, радуют леса, одетые в багрец и золото. Некоторые, возможно даже задумываются, какие же процессы отвечают за «пышное природы увяданье».

Всё буйство красок осени обусловлено двумя группами растительных пигментов. За золотую окраску лесов отвечает первая группа окрашенных соединений — желтые и оранжевые каротиноиды, которые также можно найти и в моркови, и в грибах-лисичках. Источником же багреца являются антоцианы, способные принимать оттенки от красного до пурпурного (см. Антоцианы: секреты цвета). Антоцианы растворимы в воде и, кроме осенней багряной листвы, встречаются в цветах и плодах растений. Высоким содержанием антоцианов могут похвастаться земляника, черника, черная и красная смородина и краснокочанная капуста. Цвет антоцианов зависит от уровня кислотности среды и содержания некоторых металлов (см., например, задачу Гортензия переменчивая). Высокая чувствительность этих пигментов к факторам окружающей среды не позволяет использовать антоцианы как красящие вещества. Все плюсы антоцианов, которые могли бы позволить применять их как натуральные пищевые красители, — растворимость в воде и высокая интенсивность окраски в малых дозах, в которых они безопасны для человека, — перечеркивается тем, что они меняют цвет при изменении рН среды и/или наличия ионов некоторых металлов.

Скелет всех молекул антоцианов представлен двумя бензольными циклами и третьим циклом, содержащим в качестве гетероатома кислород. С трициклическим скелетом антоциана связан углеводный остаток (как правило, остаток глюкозы). Вещества, обладающие тем же самым трициклическим скелетом, но не содержащие в своем составе углеводный фрагмент, называются антоцианидинами (см. Anthocyanidin) и тоже представляют собой растительные пигменты. Растительные пигменты окрашены благодаря тому, что в них чередуются одинарные и двойные связи углерод-углерод, что приводит к появлению системы сопряжения, которую относят к хромофорам — структурным элементами веществ, обуславливающим их цветность.

Схематичное строение молекулы антоциана. А и В — бензольные циклы, С — цикл, содержащий в качестве гетероатома кислород

В отличие от каротиноидов, которые появляются в молодой листве одновременно с хлорофиллом — весной и летом, — антоцианы начинают накапливаться только в осенней листве, обычно отличающейся повышенным содержанием растительных углеводов. Осенью с уменьшением светового дня и подготовкой лиственного дерева к зимовке происходит реадсорбция наиболее важных для него питательных элементов из листьев в ветви и ствол, что приводит к разрыву связи между хлорофиллом и белками, способствующими процессу фотосинтеза. В свободной, не связанной с белками форме хлорофилл фототоксичен, и воздействие солнечного света на свободный хлорофилл может существенно повредить дереву. Чтобы это не произошло, в растении запускаются процессы, способствующие разрушению хлорофилла, его зеленая окраска исчезает, прекращая маскировать желтые и красные цвета каротиноидов и антоцианов.

Химическое строение растительных пигментов и их взаимосвязь друг с другом установил немецкий химик Рихард Мартин Вильштеттер, которому в 1915 году за «. исследования красящих веществ растительного мира. » была присуждена Нобелевская премия по химии. Из-за Первой мировой войны получить премию и прочитать Нобелевскую лекцию Вильштеттер смог только в 1920 году.

Вильштеттер выяснил, что все пигменты-антоцианы являются производными трех близких по строению антоцианидинов — пеларгонидина, цианидина и дельфинидина. Цианидин, связываясь с двумя остатками глюкозы, образует пигмент, который обуславливает цвет лепестков роз, васильков и маков. Окрашенное соединение, образующееся при взаимодействии цианидина с одной молекулой глюкозы, содержится в астрах и хризантемах. В герани и красном винограде содержатся производные пеларгонидина и дельфинидина соответственно.

Пеларгонидин, цианидин, дельфинидин

В своей Нобелевской лекции Вильштеттер упомянул и такой факт: он и его студенты планировали продолжить исследование растительных пигментов осенью 1914 года, но началась Великая война, и стало не до работы с растительными пигментами. Поэтому, как только астры, посаженные весной для экспериментов, зацвели, Вильштеттер и те из его сотрудников, кого не призвали в армию, отнесли охапки этих цветов раненым солдатам в госпиталя.

Антоцианы нельзя использовать в качестве пищевых красителей, но все же эти соединения интересны нам не только как вещества, дающие окраску цветам и осенней листве. Антоцианы являются сильными антиоксидантами (см. задачу Красная угроза). Как показывают медицинские исследования, эти растительные пигменты, особенно в сочетании с другими пигментами — флавоноидами — позволяют предотвратить такие неинфекционными заболеваниями, как диабет, сердечно-сосудистые заболевания и некоторые виды рака, или облегчить их протекание.

Разноцветные кустики барбариса очень популярны среди садоводов. Однако красные формы барбариса встречаются и в дикой природе.

Ученые сравнили некоторые биологические показатели пурпурнолистных и зеленолистных форм барбариса обыкновенного. Оказалось, что разные формы растений не отличаются по качественному составу пигментов, но различаются по количественному. Оценка физиологической реакции разных форм растений на освещенность показала, что пурпурнолистный барбарис более чувствителен к изменениям освещенности и менее эффективно использует световую энергию при низком уровне освещения. На взрослых растениях различий в продуктивности разных форм барбариса не обнаружено, но сеянцы с зелеными листьями демонстрируют большую интенсивность прироста и накопления массы.

Антоцианы принадлежат к большой и широко распространенной группе веществ, содержащихся в растениях, флавоноидам. Антоцианы (от греч. anthos - цветок и kyanos - синий, лазоревый) являются самой крупной группой водорастворимых пигментов в царстве растений. Они окрашивают плоды, листья, лепестки в цвета от розового до черно-фиолетового. В отличие от хлорофилла являются непластидными пигментами, сосредоточенными в вакуолях клеток. Образованию антоцианов благоприятствуют низкая температура, интенсивное освещение, но полностью их биологические функции пока не выяснены. Общеизвестный факт активации биосинтеза антоцианов, сопровождающийся деградацией основных фотосинтетических пигментов у растений в условиях стресса еще не получил глубокого физиолого-биохимического обоснования. Возможно, что антоцианы не несут никакой функциональной нагрузки, а синтезируются как конечный продукт насыщенного флавоноидного пути, получившего вакуолярное ответвление с целью конечного депонирования ненужных растению фенольных соединений. С другой стороны, антоциановая индукция, вызванная определенными факторами окружающей среды, а также предсказуемость появления антоцианинов из года в год в периоды специфических этапов развития листа, их яркая выраженность в особых экологических нишах, возможно, способствуют адаптации растительных организмов к тем или иным стрессовым условиям. (текст с сайтов Википедия и diplomba)

Ботаникам известны вариации древесных растений по цвету листьев – пурпунолистные и зеленолистные. Зеленолистные формы могут «краснеть» в определенные периоды (весной, осенью или зимой) благодаря образованию антоциановых пигментов. Такое изменение окраски листьев деревьев носит временный характер. У других форм, собственно пурпурнолистных, листья имеют красную окраску в течение всей жизни растения. Было показано, что в зависимости от временного или постоянного типа образования антоциановых пигментов, обеспечивающих красный цвет листьев, различаются и их функции. Временные красные пигменты появляются под воздействием неблагоприятных условий внешней среды, либо в определенные периоды онтогенеза. В этих условиях антоцианы могут обеспечивать фотозащитную роль (перехватывают 60-70 % излучения в определенном диапазоне электромагнитных волн), поддерживать окислительные ферментные реакции в условиях колебания температур, являться регуляторами роста, обеспечивать устойчивость растения в условиях зимовки и др. А вот каковы различия между различными формами древесных растений до сих пор остается не проясненным. В связи с этим ученые из Ботанического сада Уральского отделения Академии наук задались целью определить физиолого-биохимические различия между пурпурнолистной и обычной формами барбариса обыкновенного Berberis vulgaris. В течение всего периода вегетации исследовали интенсивность дыхания и фотосинтеза, особенности водного режима листьев растения. Методом восходящей бумажной хроматографии оценили качественный и количественный состав антоциановых пигментов, также спектрофотометрированием определяли содержание зеленых пигментов - хлорофиллов a и b. Помимо этого, исследовали некоторые фотосинтетические параметры листьев.

Результаты показали, что качественный состав всех форм листьев одинаков: цианидин-, пеонидин-, и дельфинидин-моногликозиды и не меняется в течение всего периода вегетации. Различие между формами выявилось в количественном распределении пигментов. У зеленолистных форм барбариса преобладающим антоцианином является – цианидин-моногликозид, а у пурпурнолистной формы – пеонидин-моногликозид (последний является метилированной производной первого). Общее количество пигментов и антоцианинов и хлорофилла b в красных листьях барбариса больше. При этом листья пурпурнолистной формы отличаются меньшей интенсивностью фотосинтеза и повышенной интенсивностью дыхания относительно зеленолистной формы. Это можно объяснить тем, что антоциановые пигменты, не принимая участия в фотосинтезе, поглощают (забирают) часть солнечной энергии, необходимой фотосинтетически активным пигментам.

Известно, что изменения интенсивности освещенности приводят к перестройкам фотосинтетического аппарата растительной клетки. Так, при низкой освещенности для более эффективного использования лучистой энергии светособирающие пигменты комплекса фотосистемы 2 собраны в гранальной части хлоропласта, тогда как при наиболее сильных потоках света эти комплексы смещаются в стромальную часть хлоропласта. Авторами показано, что подобные перестройки фотосинтетического аппарата значительно более выражены у пурпурнолистных форм барбариса. Согласно полученным данным красные листья менее эффективно используют световую энергию, чем зеленые, особенно в условиях слабой освещенности. При этом в исследовании показано, что взрослые растения обеих форм не различаются по интенсивности роста, но сеянцы с зелеными листьями отличаются большей интенсивностью линейного прироста и накопления массы сухого вещества.

Таким образом, авторы заключают, что во взрослом растении накопление антоцианов пурпурнолистных форм не существенно сказывается на комплексе основных процессов метаболизма: растение нормально растет и развивается. Различия между формами наиболее выражены в начальный период развития растения и при определенных внешних условиях (например, низкая освещенность), что объясняет их редкость в природных популяциях.

В одной старинной книге описан фокус с букетом тюльпанов. Вначале зритель видит вазу с алыми цветами, затем фокусник накрывает ее непрозрачным колпаком, а когда тот снимается, тюльпаны оказываются… синими! Секрет опыта – в антоцианах, окрашенных растительных гликозидах.

Антоцианы – естественные природные пигменты, которые содержатся в растениях, придавая окраску от розовой, красной, оранжевой до фиолетовой, пурпурной и синей их плодам и листьям. Причем цвет растения зависит от степени кислотности среды клеток растения. А разгадка фокуса с тюльпанами в том, что в вазу, где они стояли, незаметно налили нашатырный спирт, обладающий щелочными свойствами. Он, испаряясь, проник в ткани растений, воздействовал на антоцианы, и цвет лепестков изменились с красного на синий.

Можно и самому провести нехитрый опыт. Возьмите лист белой бумаги, потрите его лепестками цветков или соком плодов так, чтобы осталось пятно. Капните лимонным соком или другой какой-либо кислотой на край пятна, и вы увидите, что оно стало ярко-розовым. А капля щелочи на другой край листа вызовет появление синего цвета с зеленоватым оттенком. Антоцианы чутко реагируют на кислотность!

А в природе изменения окраски лепестков происходят без какого-то либо нашего участия. Всем известно, что у медуницы молодые цветки имеют розовый оттенок, а старые постепенно становятся синими. У сиреневых и фиолетовых сортов флоксов оттенок окраски лепестков меняется в течение суток. Дело здесь также в изменении кислотности. Днем клеточный сок более кислый, и проявляется розоватый оттенок, а к вечеру среда становится более щелочной, и окраска приобретает холодные, синие тона. Осеннее изменение цвета листьев на красную и пурпурную также связано с разрушением хлорофилла, который зачастую маскирует присутствие антоцианов.

Растительные пигменты содержатся как в генеративных органах (цветках, пыльце) растений, так и в вегетативных (стеблях, листьях, корнях), а также в плодах и семенах. Очень редко встречается накапливание антоцианов в корнях, но если это происходит, то появляется, например, такая редкость как темно-фиолетовый, почти черный сорт моркови или картофеля.

На сегодня открыто и описано более 500 антоциановых соединений, и число их постоянно увеличивается. Характерная особенность их химического строения - С15-углеродный скелет — два бензольных кольца А и В, соединенные С3-фрагментом, который с атомом кислорода образует γ-пироновое кольцо (С-кольцо, рис. 3). При этом от других флавоноидных соединений антоцианы отличаются наличием положительного заряда и двойной связи в С-кольце.

Для чего же растениям нужны антоцианы? Ну, во-первых, для привлечения насекомых-опылителей и животных, которые распространяют плоды. Во-вторых, антоцианы, поглощая заметную часть солнечной энергии, служат растению защитой от ультрафиолетовых лучей. Если подняться в горы на большую высоту, то можно заметить, что голубая окраска у цветов, растущих на равнине, сменится выше в горах на темно-синюю.

Учеными замечено – антоцианы могут присутствовать в клетках постоянно, появляться в какой-то период роста и развития растения или вырабатываются под воздействием стресса. Последнее обстоятельство навело ученых на мысль, что антоцианы нужны не только для того, чтобы яркой окраской привлекать насекомых-опылителей и распространителей семян, но и для борьбы с различными типами стрессов.

Например, антоцианы, по-видимому, служат растениям для защиты от негативного действия тяжелых металлов, образуя с ними прочные комплексы. В качестве примера обычно приводят широко известную историю о розовой гортензии, которая на кислых почвах может изменить цвет на синий.

Казалось бы, в кислой среде розовая окраска должна проявляться сильнее. Однако в этом случае повышается растворимость ионов металлов, в основном, алюминия. Токсичный алюминий поглощается растением, и локализуется вместе с антоцианами, образуя сложные соединения. По этой причине происходит изменение окраски.

Поэтому чтобы получить голубые гортензии, розовые сорта поливают раствором алюмокалиевых квасцов. Однако с этой процедурой следует быть особенно осторожным, так как превышение дозы может привести к гибели растения.

Таким образом, синтез антоцианов растениями, действительно, связан с разнообразными стрессами, хотя их защитные механизмы еще до конца не изучены.

Зато не вызывает никаких сомнений значение антицианов для организма человека!

Так, ежедневная доза приема этих веществ должна составлять

Понравилась статья? Ставьте лайки! И подписывайтесь на наш журнал «ХИМАГРЕГАТЫ» в Яндекс ДЗЕН, чтобы получать познавательные статьи у себя в ленте!

Антоцианы – пигментные вещества находящиеся в растениях, обусловливая красную, черную, фиолетовую и синюю окраски плодов и листьев. В этой статье рассмотрены полезные свойства антоцианов из следующих растений:

Темно-фиолетовая слива,
Черешня,
Малина,
Ежевика,
Черная бузина
Черная рябина,
Черника,
Черная арония.

Темно-фиолетовая слива считается мощным пищевым продуктом благодаря исключительно высоким уровням антоцианов, которые она содержит. Этот сорт сливы имеет до пяти раз больше антоцианов по сравнению с другими сортами. Еще одним плюсом сорта является его относительно низкая цена по сравнению с другими богатыми источниками антоцианов, благодаря чему темную сливу применяют всевозможными способами, например, в виде сока или порошка.

Польза антоцианов для здоровья

Имеющие оттенки от черно-синего до различных оттенков красного и фиолетового, антоцианы являются флавоноидными пигментами, которые были связаны с рядом потенциальных преимуществ для здоровья.

Потеря веса

Под руководством профессора Линдсей Браун из Университета Южного Квинсленда в Австралии команда исследователей обнаружила, что фиолетовый сливовый сок устраняет проблемы, связанные с ожирением у крыс, которых кормили диетой с высоким уровнем углеводов и жиров.

Браун цитирует: «Антоцианы являются очень эффективными противовоспалительными веществами и помогают в борьбе с ожирением». Но это не первое исследование, при котором ученые выявили потенциальные преимущества антоцианов в потере веса.

В исследовании на мышах, которых кормили продуктами с низким содержанием жиров и концентрированным соком ягод аронии , богатыми антоцианами, наблюдалось уменьшение процента жира в теле, чем у мышей, питавшихся только диетой с низким содержанием жиров .

Антидиабетические эффекты

Ученые предполагают, что антоцианы могут также иметь антидиабетические эффекты. Прием ягод, богатых на антоцианы, натощак нормализует глюкозу в крови и реакцию на нее у людей с гипергликемией. У страдающих ожирением мышей, которых кормили жирной пищей и ягодными соками, улучшилась реакция на инсулин. В другом исследовании было обнаружено, что ягоды черной рябины снижают сахар у больных диабетом.

Противовоспалительные свойства

Антоцианы из черешни и малины ингибируют действие циклооксигеназы, аналогично популярным противовоспалительным препаратам. Циклооксигеназа является ферментом, играющим ключевую роль в производстве простагландинов, химических посредников, которые способствуют воспалению.

Мышей, страдающих от язвенного колита, воспалительного заболевания кишечника, лечили ежевикой , богатой лиофилизированными антоцианами, в течение семи дней. Результатом стало значительное падение уровня провоспалительных цитокинов.

В еще одном исследовании 2015 года было доказано, что экстракт черной бузины снизил воспаления, а также резистентность к инсулину у мышей.

Здоровье сердца

Экстракты из черной рябины и черники , богатые антоцианами, индуцируют релаксацию коронарных артерий, а экстракт черной аронии обеспечивает защиту от сердечно-сосудистых заболеваний.

Сливовый сок имеет антитромботическую активность в организме человека, а это означает, что он способен снижать образование тромбов. Исследователи пришли к выводу, что потребление антоцианов может предложить потенциальные выгоды в предотвращении сердечно-сосудистых заболеваний и стать вспомогательным средством для лечения людей, восприимчивых к образованию тромбов.

Читайте также: