Zelen ili žut

Poznati engleski kemičar Joseph Priestley 1772. godine pokusima je dokazao da „biljke obnavljaju zrak koji je potrošen gorenjem svijeće“. Biljka metvica kojom se koristio u pokusu, nekoliko dana podržavala je gorenje svijeće i omogućavala mišu da preživi u zatvorenoj staklenci. Njegov pokus i otkriće da biljke proizvode plin koji „omogućuje život“ (koji je 1777. godine Antoine Laurent Lavoisier nazvao oxygen – kisik) pokrenuli su niz otkrića koja su dokazala da Sunčeva svjetlost ima ulogu u fotosintezi, da biljke vežu ugljikov (IV) oksid iz zraka i da je za fotosintezu potrebna voda te se došlo do zaključka da se biljke koriste svjetlosnom energijom da bi dobile kemijsku.

Nazive fotosinteze i fotosintaksa uveo je 1893. godine američki botaničar Charles Barnes. Iako je njegov favorit bio izraz fotosintaksa, za kemijsku reakciju u kojoj se iz ugljikova(IV) oksida i vode uz pomoć Sunčeve svjetlosti u kloroplastima biljaka i algi stvaraju šećer glukoza i kisik u cijelome svijetu počeo se upotrebljavati naziv fotosinteza. Klorofil, najvažniji biljni pigment koji je aktivan za vrijeme fotosinteze, nalazi se u kloroplastima uklopljen u tilakoidnim membranama.

On može u određenim uvjetima biti prekriven drukčije obojenim popratnim smeđim ili crvenim pigmentima. U vodi netopljivi, djelomično lipofilni klorofil pojavljuje se u većine biljaka u dvama kemijski srodnim oblicima: kao modrozeleni klorofil a i kao žutozeleni klorofil b. Njihov je kvantitativni odnos otprilike 3 : 1. Klorofili sadržavaju porfirinsku jezgru od četiriju pirolovih prstenova u čijemu se središtu nalazi atom magnezija na koji je vezan fitolni rep. Porfirinska je jezgra hidrofilna, a fitolni rep bogat metilnim skupinama hidrofoban je i lipofilan.

Klorofil a i klorofil b razlikuju se samo u bočnome lancu trećega pirolova prstena:

• skupina –CH₃ kod klorofila a
• –CHO kod klorofila b).

U tilakoidnim membranama kloroplasta osim klorofila pojavljuju se u manjoj količini narančastocrveni karoteni i žuti ksantofili koji imaju ulogu pomoćnih pigmenata koji upijenu energiju predaju klorofilu.

Šećući šumom ujesen, kad se klorofil počinje raspadati, možemo doživjeti različite varijacije tih boja u narančastome, zlatnosmeđemu i crvenome lišću. Svjetlost je elektromagnetsko zračenje koje je vidljivo ljudskomu oku. Ljudsko oko uglavnom vidi svjetlost valne duljine raspona od 390 do 750 nm. List na drvetu zelene je boje jer klorofil odbija zelenu komponentu bijele svjetlosti, a crvenu i ljubičastu komponentu jako upija. Ugljikov ciklus, koji počinje ugradnjom ugljikova (IV) oksida putem fotosinteze, jedan je od najvažnijih procesa na Zemlji.

Svi živi organizmi procesima staničnoga disanja razgrađuju i iskorištavaju organske tvari koje su prethodno nastale fotosintezom u biljci i pritom se oslobađa u njima vezana Sunčeva energija u obliku adenozintrifosfata (ATP-a). Proces fotosinteze može se podijeliti na primarne procese, za koje je nužna Sunčeva svjetlost, a odvijaju se u tilakoidnim membranama kloroplasta i sekundarne procese, tzv. Calvinov ciklus, za koji svjetlost nije nužna, a odvija se u stromi kloroplasta.

Fotokemijske reakcije počinju apsorpcijom fotona ili kvanata svjetlosti nakon čega se iz klorofila izbijaju dva elektrona koji se, tako obogaćeni energijom, prenose enzimima do oksidiranoga koenzima NADP⁺, a zajedno s protonima iz vode reduciraju ga u NADPH.

Fotosinteza je najvažniji biokemijski proces na Zemlji jer se njime apsorbirana Sunčeva energija s pomoću vode i ugljikova (IV) oksida ugrađuje u energijom bogate kemijske veze organskih spojeva. Da dođe do prestanka fotosinteze na Zemlji, nestajalo bi organske tvari i većina bi organizama izumrla, a atmosfera bi postupno ostala bez kisika. Zemljom bi zavladale kemosintetske bakterije koje se za sintezu organskih tvari koriste kemijskom energijom dobivenom oksidacijom anorganskih spojeva. Čovjek stalno mora voditi računa da svako onečišćenje atmosfere iz nečistih industrijskih tehnologija ugrožava fotosintetske organizme, a time i život na Zemlji.

Omogućuje li razlika u strukturi klorofila a i b njihovo jednostavno razdvajanje i razlikovanje?

Razlika u strukturi klorofila a i b omogućuje njihovo razlikovanje jednostavnom fizikalno-kemijskom tehnikom.

Kromatografija je postupak razdvajanja čistih tvari iz homogenih tekućih ili plinovitih smjesa. Metoda se zasniva na različitoj brzini putovanja iona ili molekula nošenih otapalom po nepokretnoj fazi. Nepokretnu fazu nazivamo stacionarna faza, a najčešće je to neki čvrsti nosač velike površine (silikagel, kalcijev karbonat, papir za kromatografiju). Pokretnu fazu nazivamo mobilna faza, a to je otapalo ili češće smjesa otapala. Pojedini sastojci smjese, zbog različitih fizikalnih procesa, putuju različitom brzinom po nepokretnoj fazi i tako se odjeljuju. Različita brzina putovanja uzoraka posljedica je različitoga afiniteta pojedinih sastojaka uzorka prema stacionarnoj fazi pa će tako sastojak većega afiniteta jače prianjati uz stacionarnu fazu i time sporije prelaziti preko nje, a obrnuto će vrijediti za sastojak manjega afiniteta prema stacionarnoj fazi. Različito obojene zone predstavljaju kromatogram. Kromatografija se upotrebljava za odjeljivanje, identifikaciju i kvalitativnu analizu sastojaka prisutnih u složenim smjesama. Ovisno o fizikalno-kemijskim svojstvima sastojaka smjese, izvode se različite kromatografske tehnike. Za razdvajanje biljnih pigmenata pogodna je papirna kromatografija.

• Nožem narežite lišće odabrane biljke, prebacite ga u tarionik i dodajte 5 mL etanola.

• Smjesu čvrsto miješajući usitnite i ostavite da miruje pet minuta, a zatim profiltrirajte.
• Izrežite vrpcu filtarskoga papira malo dulju od duljine epruvete i obilježite startnu liniju 2 cm od donjega ruba filtarskoga papira.
• Na startnu liniju kapnite alkoholnu otopinu smjese biljnih pigmenata (umočite kovanicu u otopinu pa njom prijeđite preko papira) i pričekajte da se kapljica osuši.

• Ulijte u epruvetu oko 1 cm etanola, uronite traku filtarskoga papira u epruvetu (pazite da uzorak bude 1 cm iznad otapala).
• Začepite epruvetu i pratite promjene na filtarskome papiru.

Na temelju opažanja skicirajte kromatogram. Omjer udaljenosti koju dosegne sastojak (b) i udaljenosti koju postigne otapalo – fronta otapala (a) u određenome vremenu naziva se faktor zaostajanja RF.

Počevši od startne linije, ravnalom izmjerite udaljenost koju je doseglo otapalo (a) i udaljenost koju je dosegao pigment (b). Izračunajte faktor zaostajanja za svoj uzorak i, na temelju opažanja i rezultata, najprije u parovima, a zatim u razredu raspravite o sljedećemu:

1. Objasnite razlog usitnjavanja lišća špinata prije ekstrakcije.
2. Razmislite o tome što je u predloženome pokusu pokretna (mobilna) faza, a što nepokretna (stacionarna) faza.
3. Objasnite na kojim se fizikalno-kemijskim procesima temelje kromatografske metode odjeljivanja.

Ako je vaša pretpostavka opovrgnuta, razmislite o rezultatima i pokušajte s novom pretpostavkom.

Prikažite rezultate svoga rada infografikom u alatu Pictochart.

1. korelacija: Informatika, Matematika
2. međupredmetne teme: IKT, Zdravlje, Učiti kako učiti

• Proučite trodimenzijske strukture klorofila a i klorofila b i zaključite u čemu se razlikuju u građi.

• Istražite što su klorofil c i d te u kojim se organizmima javljaju.
• Usporedite strukturu hema i klorofila te navedite sličnosti i razlike između njih.
• Istražite kako nastaju derivati klorofila feofitin i feoforbid te kakve su boje.
• Istražite koja biomolekula utječe na pretvaranje zelene boje nezreloga voća u vesele boje zreloga voća.
• Istražite što je to kitozan i raspravite o mogućnostima njegove uporabe.