Klorofyllets röda fluorescens

Kemisk bakgrund

Experimentet

Extraktion med hjälp av löslighet

En betydande del av våra växter innehåller det gröna ämnet klorofyll (blandning av klorofyll a och klorofyll b). Klorofyll är ett opolärt ämne uppbyggt av en magnesiumjon omgiven av ett flertal kolringar innehållande kväve och löser sig alltså inte i vatten eller andra polära ämnen. I växternas blad finns klorofyllet inuti tylakoidmembranen hos kloroplasterna. Genom att mekaniskt mosa spenaten i morteln krossas cellväggarna och kloroplasterna varpå klorofyllet friläggs. När petroleumeter, som är ett opolärt lösningsmedel, tillsätts så kan klorofyllet lösas ut och vi får ett extrakt.

Så blir extraktet rent

I extraktionen där petroleumeter + aceton ingår och metanol sedan tillsätts bildas två faser. Den övre opolära fasen består av petroleumeter och löst klorofyll (och karotenoider). Den undre polära fasen innehåller aceton och metanol. Vatten och bladfragment som också är polära hamnar i den undre fasen. Separationen är så effektiv att någon centrifugering inte är nödvändig.

Excitation av elektroner som resulterar i fluorescens

När klorofyll utsätts för solljus kommer fotoner med våglängd kring 430, 453, 642 och 663 nm att absorberas. Det är ljus som uppfattas som rött respektive blått, vilket resulterar i att vi ser växter som gröna - den färg som inte absorberats.

Absorptionsspektra hos klorofyll a och b
Bild: © Svante Åberg

De små skillnaderna i vilka våglängder som klorofyllet absorberar ger något olika gröna nyanser hos klorofyll a och b. Lägg också märke till att det bara är en liten molekylgrupp som skiljer mellan de två klorofylltyperna, metyl- respektive aldehydgrupp.
Bild: © Svante Åberg

När klorofyll absorberar fotoner av ovan nämnda våglängder så tas energin från fotonen upp av en elektron som blir exciterad - lyfts till en högre energinivå. Det exciterade klorofyllet är mindre stabilt och strävar efter att återemittera - släppa ifrån sig - den upptagna energin. När klorofyllet befinner sig på sin vanliga plats, i tylakoidmembranen hos en växt kan överskottsenergin överlämnas till kloroplasten som sedan använder denna energiökning till fotosyntesen. I vår laboration har klorofyllet extraherats och energin har därför ingen annanstans att ta vägen, än att återemitteras som ljus. Det är denna återemittans som gör att klorofyllet ändrar färg till rött då det utsätts för UV-ljus eller en stark ljuskälla. Fenomenet kallas för fluorescens.

Excitationen av en elektron i en isolerad klorofyllmolekyl leder till fluorescens.
Bild: © Svante Åberg

Vad får växterna att växa?

En historisk tillbakablick

Sedan länge tillbaka har människor funderat på hur växter får sin energi och näring. Redan i det antika Grekland klurade Aristoteles (384-322 fvt.) på denna fråga. Dennes tes var att det var dött material i marken som växterna levde av, så kallade nedbrytningsprodukter från djur och växter, och att detta var den enda näringskällan.

Aristoteles idé fick stå oemotsagd fram till 1600-talet då den nederländske läkaren van Helmont (1577 - 1644) utförde en del experiment som visade att Aristoteles teorier inte kunde stämma. van Helmont antog att om växten tog sin näring ur jorden måste jorden minska i vikt. Han torkade matjord, vägde den och lät plantera en pil i en kruka och vattnade växten på vanligt sätt. Under de fem år experimentet utfördes ökade plantan i vikt från 2,5 till 73,5 kg, en viktökning på 71 kg. Men vikten av jorden i krukan minskade bara några få gram. Van Helmont förstod att jordens viktminskning var marginell och måste bero på vissa fel i mätningen. Hans egen teori blev därför att växtens näring endast kom från vattnet den vattnades med.

Van Helmonts teori blev nu sanning i lite drygt hundra år till dess att den engelske prästen Joseph Priestley (1733-1804) gjorde en viktig upptäckt år 1772. Han märkte att växterna inte ”förorenar” luften som djuren gör. Han undersökte hur levande organismer i instängd luft reagerade och upptäckte växternas förmåga att ”rena” luften. Han första försök bestod av två sammankopplade kärl där det ena innehöll ett tänt ljus och det andra en mus. Efter en stund kunde Priestley konstatera att ljuset slocknat och musen avlidit. Priestley upprepade då detta etiskt tveksamma experiment med en ny mus, men ersatte ljuset med en växt. I detta senare experiment tycktes så väl mus som växt kunna leva hur länge som helst.

Bara några år senare, år 1779 publicerade den nederländske läkaren Ian Ingen-Housz en fortsättning och en utveckling av Priestleys försök. Ingen-Housz experimenterade med både gröna växter och rötter i ljus och i mörker. Slutsatsen han kom fram till av sina experiment var att det bara var de gröna växtdelarna (de som innehåller klorofyll) som ”renar” luften (framställer syre), men bara om de får ljus. Vetenskapen var fotosyntesen på spåret men det skulle dröja ända fram till modern tid innan fenomenet skulle få just "fotosyntesen" till namn.

År 1961 fick amerikanen Melvin Calvin (1911 - 1997) nobelpriset i kemi för sin forskning i den sista delen av den process som bildar glukos (druvsocker). Han använde algceller och koldioxid märkt med radioaktivitet för att visa att koldioxiden går runt i en cykel i naturen. Än idag finns en hel del oklarheter om fotosyntesen att lösa.

Fotosyntesen

Fotosyntesen är, om inte den viktigaste, så definitivt en av de viktigaste kemiska reaktionerna för livet på jorden. I princip alla levande organismer får sin energi direkt eller indirekt genom fotosyntesen.

Fotosyntesen kan mycket förenklat beskrivas:

6CO2  + 6H2O  + solljus   →  C6H12O6  + 6O2(g)
 koldioxid + vatten + ljus  "  glukos + syrgas

Vad som egentligen sker är betydligt mer komplicerat. Det har visat sig att fotosyntesen kan delas upp i två olika reaktioner, ljusreaktionen och mörkerreaktionen (Calvin-cykeln). I den första av dessa används solens strålning till att skapa ATP (Adenosintrifosfat; cellens "energipaket") och binda vätejoner till en vätebärare. I mörkerreaktionen kommer sedan ATP och vätejonerna att förbrukas för att omvandla koldioxid till socker.

De gröna bladen - vår syre- och glukosfabrik

Om en tittar på ett löv i ett mikroskop upptäcker man de enskilda växtcellerna och i dem runt 50 till 100 små gröna prickar, kloroplasterna. Det är i dessa som själva reaktionen sker. Kloroplasterna är försedda med ett inre system av membran veckade till tylakoider, vilket ser ut som platta påsar ungefär. Tylakoidernas ytskikt innehåller i sin tur välorganiserade grupper med de för fotosyntesen så viktiga klorofyllmolekylerna, klorofyll a och b som absorberar rött och blått ljus.

(Bild 10: Klorofyll i bladen/alt. fotosystem).

Ljusreaktionen

Ljusreaktionen inleds med att fotoner (energi i form av ljuskvanta) infångas av ett antennkomplex bestående av flera hundra klorofyllmolekyler organiserade i membranbundna proteiner. Energin leds vidare till ett reaktionscentrum (kallas fotosystem II), som innehåller två klorofyllmolekyler i en speciell struktur. Här lyfts en elektron i taget upp till ett högre energitillstånd och passerar sedan via ett antal komponenter i membranet, elektrontransportkedjan, för att - i det enklare fallet - återvända till reaktionscentrumet. På sin väg driver elektronen en förflyttning av vätejoner (protoner, H+) från utsidan till insidan av tylakoidens membran. Det uppkommer på så sätt en skillnad i vätejonkoncentrationen på ömse sidor om membranet som, när den utjämnas, i sin tur driver syntesen av ATP från ADP (adenosindifosfat) och fosfat. Den beskrivna processen är cyklisk, det vill säga att den återupprepar sig kontinuerligt.

Den vanligare och mer komplicerade formen av fotosyntes är icke-cyklisk. Här kommer ett av de energirika ämnen som bildas med ljusenergins hjälp att oxidera ett vätehållande ämne. Hos de gröna växterna är det vatten som oxideras, dvs. tar upp en eller flera elektroner (i nämnt fall sker upptag av en elektron), och bildar syrgas. Bakterier utnyttjar ofta andra ämnen, som svavelväte (vätesulfid) och fettsyror, för samma ändamål. De avspjälkade väteatomerna splittras i en elektron och en vätejon. Elektronerna överförs till elektrontransportkedjan, medan vätejonerna pumpas till tylakoidens insida. Slutligen kommer elektroner och vätejoner att tillsammans med koenzymet NADP+ (ett "vätetransporterande" enzym) att bilda den vätehållande formen NADPH, vilket sker i ett annat reaktionscentrum kallat fotosystem I. Ljusreaktionen sker till största del i kloroplastens membran.

Mörkerreaktionen

Den andra delen av fotosyntesen utspelar sig i kloroplastens inre, stromat. Det var denna process klarlades av Melvin Calvin på 1950-talet och kallas därför ofta Calvin-cykeln eller PCR-cykeln (photosynthetic carbon reduction). Den börjar med att koldioxid binds till kolhydratet ribulosdifosfat. Den fortsatta processen innefattar en rad omvandlingar där glukos och fruktos bildas under åtgång av ATP och NADPH. Samtidigt bildas också ribulosdifosfat igen, det är därför reaktionen sägs vara cyklisk. Förenklat kan vi säga att mörkerreaktionen står för själva omvandlingen av koldioxid till glukos medan ljusreaktionen står för själva förarbetet till denna omvandlingsprocess.

Reaktionerna inuti en kloroplast är dels ljusreaktionen som fångar upp fotonens energi och omvandlar den till energipaketet ATP, dels den så kallade "mörkerreaktionen" (Calvin-cykeln) som utnyttjar denna energi för att bygga socker.
Bild: © Svante Åberg

Spektrofotometri

Att elektroner kan exciteras och fås att sända ut ljus är en egenskap som även används inom den analytiska kemin. Genom att belysa ett prov med ljus av olika våglängder i en spektrofotometer så kan en absorbanskurva ritas upp. Denna kurva är ämnesspecifik vilket kan användas för att bestämma vad provet innehåller, en så kallad kvalitativ analys. Det går även att göra kvantitativa analyser med en spektrofotometer. Genom att mäta absorbansen hos ett prov med känd koncentration vid ett ämnes absorbansmaximum (den våglängd där ämnet absorberar flest fotoner) så kan sedan koncentrationen hos ett okänt prov beräknas med stor noggrannhet. Analysmetoden som bygger på ämnens foto (ljus) egenskaper kallas för spektrofotometri.

Spektrofotometern innehåller en monokromator som väljer ut ljus av en bestämd våglängd, dvs. bestämd färg. Den mäter sedan det ljus som passerar provlösningen.
Bild: © Svante Åberg

Fördjupning

Löslighet

När atomer eller molekyler av ett ämne blandas på atom-/jon-/molekylnivå med ett annat ämne, så säger man att ämnet löser sig. Både fasta, flytande och gasformiga ämnen kan gå i lösning på detta sätt. Ämnet som tar emot partiklarna som löser sig, och som förekommer i större mängd, kallas lösningsmedel.

Exempel på lösningar är:

En lösning behöver alltså inte vara en vätska. Det finns både fasta, flytande och gasformiga lösningar.

Begränsad löslighet

Ofta är lösligheten begränsad. Det har att göra med den jämvikt som uppstår mellan ämnet i lösning och samma ämne i ren form. Till exempel löser sig koksalt i vatten upp till 36 g per 100 ml (motsvarande 26 vikts-%) vid 20 °C.

Jonerna i den fasta natriumkloriden löser sig med jämn hastighet, vilket tenderar till att öka koncentrationen av löst ämne. Men den motsatta reaktioner sker också. Natrium- och kloridjonerna i lösningen faller ut som fast natriumklorid. Den hastighet med vilken saltet faller ut beror på hur ofta natrium- och kloridjoner stöter på varandra i lösningen. Därför ökar utfällningen av salt med koncentrationen i natriumkloridlösningen. Vid 26 vikts-% NaCl är utfällningen lika snabb som upplösningen av koksaltet. Då sker ingen nettoförändring. Man har en dynamisk jämvikt där lösningen är mättad, dvs. innehåller maximal mängd koksalt.


Obegränsad blandbarhet

Ibland är lösligheten obegränsad och det lösta ämnet och lösningsmedlet är fullständigt blandbara i alla koncentrationer. Exempel på detta är etanol i vatten. Vilken proportion av etanol och vatten du än blandar, så kommer du att få en homogen lösning, dvs. en enda fas. Du kommer inte att se någon fasgräns mellan ämnena.

Lösning av gasformiga partiklar i en annan gas har alltid obegränsad blandbarhet. Det beror på att i en gas så är partiklarna så långt ifrån varandra att de inte påverkas av några attraktionskrafter som tenderar att klumpa samman ämnena i aggregat. Alla atomer/molekyler rör sig helt fritt i gaslösningen.

Bindningskrafterna avgör lösligheten - "Lika löser lika"

När det finns ett löst ämne och ett lösningsmedel, så finns det tre alternativa bindningar som kan uppstå mellan partiklarna (atomerna/molekylerna/jonerna):

Man brukar använda en tumregel: "Lika löser lika". Det syftar på polariteten, dvs. laddningen hos partiklarna. Ämnen löser sig lättast i varandra om de är ungefär lika polära. Vi ska förklara hur detta kommer sig.

Vatten är ett starkt polärt ämne. Visserligen är molekylen som helhet oladdad, men det finns en laddningsförskjutning så att syreatomen är negativ och väteatomerna positiva. Två vattenmolekyler binder varandra ganska starkt genom att syret i den ena molekylen lägger sig nära vätet i den andra vattenmolekylen. Den negativa och positiva laddningen attraherar varandra. Vatten binder alltså varandra ganska starkt.

Kolvätena i bensin är ett mycket opolära. Kolvätena är oladdade molekyler som inte heller har någon laddningsförskjutning inom sig i molekylen. Det gör att kolväten bara binder varandra svagt med hjälp av Londonkrafter (Van der Waals-krafter).

Ju starkare bindningen är, desto större chans är det att partiklarna ska klumpa sig samman. Vatten i blandning med bensin ger mycket dålig löslighet. Vattenmolekylerna klumpar samman sig med sina starka krafter och bildar en egen fas. Kolvätemolekylerna blir över och bildar en annan fas. Kolvätena bildar inte en egen fas på grund av attraktion mellan kolvätena, utan därför att de inte få vara tillsammans med vattnet. De blir så att säga ratade av vattenmolekylerna.

Om två ämnen inte har samma polaritet, men ändå inte skiljer sig åt alltför mycket, så får de en god löslighet även om den är begränsad. En möjlighet att lösa ett ämne är därför att använda lösningsmedel i flera steg. Om du till exempel har fått smutsig motorolja på händerna, så är det svårt att tvätta bort med tvål. Motoroljan är alltför opolär för att tvålen riktigt ska kunna lösa den. I ett första steg kan du då smörja händerna med margarin, som är opolärt. Oljan löser sig i margarinet. I nästa steg tvättar du bort margarinet med hjälp av tvål och vatten. Oljan som är löst i margarinet följer då med margarinet när det tvättas bort med vatten.

Hydrofil och hydrofob

Det grekiska ordet fili betyder kärlek, vänskap och dragning till. Motsatsen i grekiskan är fobi, som betyder fruktan eller rädsla för. Även ordet hydro kommer från grekiskan och anger att något har med vatten att göra.

Inom kemin talar vi om hydrofila eller hydrofoba egenskaper hos molekylgrupper eller hela molekyler. Förklaringen till de hydrofila och hydrofoba egenskaperna ligger hos attraktionskrafterna mellan partiklarna i en vattenlösning, det vill säga de intermolekylära bindningarna.

Vatten är ett starkt polärt lösningsmedel

Vi utgår från att vårt lösningsmedel är vatten.

Mellan vattenmolekylerna finns starka vätebindningar. Vätebindningarna orsakas av ett positivt laddningsöverskott på väteatomen och ett negativt på syreatomen. Vätet i en vattenmolekyl attraheras därför av syret i en angränsande vattenmolekyl. Det är den starka polariteten i vätebindningarna som är kännetecknande för vattnets egenskaper.

Det finns andra lösningsmedel som har liknande egenskaper som vatten. Ett exempel är metanol (CH3OH), som också har en OH-grupp och kan vätebinda. Ett annat exempel är ättiksyra (CH3COOH), som även den har en OH-grupp som kan vätebinda. Vatten är dock i en särställning bland lösningsmedel vad gäller styrkan hos polariteten.

Förklaringen bakom "lika löser lika"

I vattenlösningen binder vattenmolekyler till varandra med sina vätebindningar. En lösning förutsätter att lösningsmedlet och det lösta ämnet blandas ända ner på molekylnivå. Det lösta ämnet och lösningsmedlet är i väldigt nära kontakt med varandra. För att detta ska vara möjligt måste bindningen mellan det lösta ämnet och vattnet vara så stark att den kan konkurrera med vätebindningen mellan vattenmolekyler.

Polärt ämne i polärt lösningsmedel

En förutsättning för en stark bindning mellan det lösta ämnet och vatten är att det lösta ämnet också är polärt, det vill säga har laddningar som kan attrahera vattenmolekylernas laddningar. Exempelvis kan metanol, med sin polära OH-grupp, vätebinda till vattenmolekyler. För vattenmolekylerna gör det därför inte så stor skillnad om de binder till en annan vattenmolekyl eller till en metanolmolekyl. Vatten och metanol kan blandas ända ner på molekylnivå.

Ett annat exempel på polärt ämne är koksalt. Polariteten finns inbyggd i saltets byggstenar, som ju är jonerna Na+ och Cl–. Polariteten hos saltet gör att det löser sig i vatten.

Opolärt ämne i polärt lösningsmedel

Vatten och olja separerar i två faser eftersom vatten är polärt, men olja opolär.
Bild: Svante Åberg

Om det lösta ämnet är opolärt, eller bara är svagt polärt, så skapas ingen stark bindning till vatten. Vattnet binder bara till andra vattenmolekyler. Det betyder att allt vatten klumpar ihop sig till en fas.

Det ämne som skulle lösas blir över och bildar en egen fas. Det är inte så att molekylerna i det opolära ämnet attraheras till varandra. Tvärtom är bindningarna mellan de opolära molekylerna svaga. Men det är helt enkelt så att de blir över när vattenmolekylerna håller ihop.

Bildningen av faser bygger på att polära och opolära ämnen inte blandar sig med varandra. Sedan gör skillnaden i densitet att den ena fasen flyter upp och den andra sjunker. Om du försöker blanda vatten (polärt) med bensin (opolärt), så kommer den lättare bensinen att lägga sig som ett lager ovanpå vattnet. Bensinen utgör den ena fasen och vattnet den andra.

För att lättare förstå hur detta fungerar kan du tänka dig att du har en kulpåse med stenkulor och små runda magneter. Om du skakar på påsen ett tag, så kommer magneterna att klumpa ihop sig. Över blir stenkulorna, som ligger för sig själva. Magneterna motsvarar vattenmolekyler och stenkulorna opolära molekyler i denna liknelse.

Opolärt ämne i opolärt lösningsmedel

När lösningsmedlet är opolärt, som till exempel bensin, så finns inga starka bindningar mellan molekylerna i lösningsmedlet. Det gör det lätt för andra molekyler att konkurrera med bindningarna mellan lösningsmedelsmolekylerna. Till exempel kan opolära jodmolekyler lösa sig i bensin. Bindningen mellan jod och bensin är visserligen svag, men det gör inget eftersom bindningen mellan två bensinmolekyler också är svag. Det lösta ämnet och lösningsmedlet blandar sig ner på molekylnivå.

Detta exempel kan illustreras med en kulpåse där man har stenkulor och glaskulor. Även om det är olika sorters kulor, så blandas de med varandra om påsen skakas, eftersom inga kulor attraherar varandra.


Hydrofob effekt


Fosfolipider kan bilda olika strukturer som bygger på den hydrfoba effekten där den opolära delen av molekylen undviker kontakt med vattnet.
"Phospholipids aqueous solution structures" av Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHats" Public Domain Mark

Hydrofob effekt är tendensen hos opolära ämnen att klumpa sig samman i vattenlösningar och utestänga vattenmolekyler.

Exempel är bildningen av cellmembran där fosfolipider vänder sin opolära (hydrofoba) ände in mot membranets mitt och den polära (hydrofila) delen ut mot vattenlösningen. Cellmembranet är ett bilager där dess inre hydrofoba del är gömd från kontakt med vattnet.

Ett annat exempel är hydrofoba områden på proteiner. Sådana områden har en förmåga att binda till sig opolära molekyler. Ofta är enzymers funktion kopplade till sådan hydrofob effekt hos den aktiva ytan på enzymet.

Veckningen av de långa aminosyrakedjorna till proteiner med en mycket bestämd form styrs till stor del av den hydrofoba effekten. Fel på en enda aminosyra i den långa sekvensen kan göra att proteinet inte får rätt form och därför inte fungerar som det ska i kroppen.

Den vanliga tvättmekanismen hos tvål, tvättmedel eller diskmedel är också ett resultat av den hydrofoba effekten. Fettpartiklar bakas in av de detergentmolekylerna vars opolära svansar löser sig i fettet med de polära huvudena pekande utåt mot vattenlösningen. Fettpartiklarna blir helt täckta av detergenten så att det liknar en ryamatta.

Termodynamik och hydrofob effekt

Inom termodynamiken finns två drivkrafter för kemiska förändringar. Det ena är strävan mot lägsta energi, det andra strävan mot högsta entropi.

Ett system går mot lägre energi när starka bindningar skapas. Exempel är vätebindningarna mellan vattenmolekylerna. Om bindningarna mellan vattenmolekylerna bryts, till exempel genom att andra molekyler lägger sig i vägen, så ökar systemets energi. Det krävs nämligen energi att sära på vattenmolekylerna. Detta går dock tvärtemot systemets tendens att minimera sin energi. Strävan mot minimering av energin gynnar den hydrofoba effekten.

Dock är det så att entropin, som kan beskrivas som graden av oordning, ökar när olika molekyler blandas. Den normala tendensen för system är att gå mot större oordning (högre entropi). Strävan mot ökad entropi motverkar därför den hydrofoba effekten.

Temperaturen är också en faktor som har betydelse. Ju varmare det är, desto häftigare är molekylrörelserna. Ju kraftigare molekylrörelserna är, desto större tendens är det att molekylerna ska blandas med varandra. Ökad temperatur medför därför minskad hydrofob effekt. Det går också att förklara med att när tillgången på energi är hög, så drivs systemet mot en högre energi.

Drivkraften bakom de kemiska reaktionerna kan sammanfattas med Gibbs energi, som också benämns fri entalpi:

ΔG = ΔH - T·ΔS, där

G = Gibbs energi (J)
H = entalpi (systemets inre energi + produkten p·V) (J)
S = entropi (J K–1)
T = absolut temperatur (K)
Δ anger en förändring av ...

Den spontana reaktionsriktningen är när ΔG < 0. Negativa värden på ΔH och positiva värden på ΔS garanterar spontan reaktionsriktning. Ökande temperatur T förstärker effekten av ΔS.

Ljusabsorption och emission

Energiutbyte genom ljusabsorption

När en foton kolliderar med en atom (eller molekyl) kan den avge sin energi till atomen (molekylen). Atomen (molekylen) exciteras till ett högre energitillstånd samtidigt som fotonen antingen släcks ut helt, ifall den tappar all sin energi, eller omvandlas till ljus med större våglängd och därmed lägre energiinnehåll.

Energiutbyte genom ljusemission

Exciterad materia kan också göra sig av med extra energi i form av fotoner. Ett exempel på detta är när materia upphettas till den blir glödande, så kallad svartkroppsstrålning. Ett annat exempel är när en kemisk reaktion utvecklar energi som avges i form av ljus, så kallad kemiluminiscens.

mer material på grundnivå kommer


material på avancerad nivå kommer

Fotokemiska pigment

Solljuset är en energikälla som håller igång livsprocesserna på jorden. Liv är inte möjligt utan att växter och andra organismer kan växa, fortplanta sig och hålla igång de biokemiska processerna som ligger bakom detta. Det är växterna som samlar denna energi i fotosyntesen med hjälp av sitt klorofyll. Men det är inte bara klorofyllet som använder ljusets energi i sina kemiska omvandlingar, utan även andra pigment.

Gemensamt för dessa pigment är att de energier som det handlar om ligger i det synliga våglängdsområdet. När pigmenten absorberar vissa ljusvåglängder av det vita solljuset, ändras den spektrala sammansättningen så att ljuset blir färgat. Därför är alla fotokemiska pigment mer eller mindre starkt färgade.

I naturen ser vi grönt klorofyll i växternas blad, röda och blå antocyaniner i blommor och frukter, röda betalainer i rödbetor, gula och orange karotenoider i höstlöv och morötter. Pigmenten fångar ljusets energi, skyddar mot skadlig UV-strålning, guidar de pollinerande insekterna och skyddar oss med sina antioxidanter mot cancer och nedbrytande processer i våra celler.

Så uppkommer färgerna hos växtpigmenten

Ljus består av fotoner, där varje foton har en bestämd mängd energi. Ju kortare våglängd ljuset har desto större energi har fotonen. De fotoner vars energi överensstämmer med energiskillnaden mellan två elektrontillstånd hos molekylen absorberas, övriga fotoner är opåverkade.

Allmänt gäller att elektroner som är hårt bundna till en viss position i molekylen tenderar att ligga på elektrontillstånd med högre skillnad mellan energinivåerna. Sådana molekyler absorberar utanför det synliga området i UV.

Molekyler där elektronerna är fria att röra sig över en större del av molekylen har energitillstånd som ligger tätare. Sådana molekyler absorberar ofta i det synliga vågländsområdet och blir därför ofta starkt färgade.

Typiskt är att alternerande dubbel- och enkelbindningar (konjugerade bindningar) gör att elektronerna kan röra sig längs hela kedjan med bindningar via en mekanism som kallas resonans. Sök efter alternerande enkel- och dubbelbindningar i strukturformeln för att bedöma om molekylen är starkt färgad.

Färgerna hos klorofyll

När klorofyll utsätts för solljus kommer fotoner med våglängd kring 430, 453, 642 och 663 nm att absorberas. Det är ljus som uppfattas som blått respektive rött, vilket resulterar i att vi ser växter som gröna - den färg som inte absorberats.


Klorofyll-a och klorofyll-b har maximal ljusabsorption i blått och rött, medan våglängsområdet kring grönt inte absorberas. Klorofyll är därför grönt.
Bild: Svante Åberg

Alternerande enkel- och dubbelbindningar gör att klorofyller absorberar synligt ljus och därför blir färgade för ögat.

Klorofyll A och klorofyll B har något olika nyanser av grönt beroende på att den ena har en metylgrupp och den andra en aldehydgrupp. Denna skillnad gör också att klorofyll A är mer hydrofob än klorofyll B.


Klorofyll A har en metylgrupp där klorofyll B har en aldehydgrupp. Denna lilla skillnad påverkar färgnyansen.
Bild: Svante Åberg
Färgerna hos karotenoider

Beta-karoten har alternerande enkel- och dubbelbindningar som sänker energin för elektrontillstånden så att pigmentet absorberar i det synliga våglängdsområdet.


Beta-karoten har alternerande enkel- och dubbelbindningar.
"Structure of beta-carotene" av NEUROtiker" Public Domain Mark

Beta-karoten absorberar mera av det gröna än klorofyll A och B, men inget i det röda våglängdsområdet.
Bild: Svante Åberg

Absorptionen sker främst i blått (våglängdsområdet 400-500 nm) och i UV-området. Det ljus som inte absorberas är rött, gult och en del grönt, vilket tillsammans ger beta-karoten en orange färg.

Moroten har gett sitt namn åt ämnet karoten och hela gruppen av karoten-liknande substanser, karotenoiderna. Karotenoider är gula eller orange pigment med låg vattenlöslighet.

Karotenoider finns inte bara i morötter, utan även i tomater (lykopen), många blommor med gul eller orange färg, i de gula höstlöven och äggula (xantofyll såsom lutein), mm.


Morötter är rika på kartoten.
"Carrot diversity" av Larsinio" Public Domain Mark
Färgerna hos antocyaniner

Att färgerna för antocyaniner varierar efter pH beror på att energinivåerna för elektronerna i molekylen påverkas av molekylens utseende och laddningsfördelning.


Cyanin är en antocyanin. Färgerna är typiska för antocyaniner i allmänhet, men med små skillnader i färg och vid viket pH som färgen ändras.
Bild: Svante Åberg
Färgerna hos betalainer

Betalainer är vattenlösliga växtpigment som visserligen påminner om antocyaniner, men som har en annan kemisk struktur där kväve ingår.

Ung flugsvamp Mogen flugsvamp Gammal flugsvamp
Att betaninet är vattenlösligt förstår man när man ser hur regnet får flugsvamparna att blekna.
Bilder: Svante Åberg

Betalainer finns av två typer med olika färger. Betaxantinerna har nyanser mellan gult och orange, betacyaninerna mellan rött och violett.


Betaxantin och betacyanin, de två huvudtyperna av betalainer. Notera att kväve ingår i strukturen, något som skiljer betalainerna från antocyaninerna.
"Betalains" av Harris et al; licensee BioMed Central Ltd. 2012" Public Domain Mark


Klorofyller


Fotosyntesen sker i bladens gröna kloroplaster, där klorofyllet finns.
"Plagiomnium affine laminazellen" av Fabelfroh" (CC BY-SA 3.0)

Klorofyller är gröna pigment som finns i cyanobakterier, och i cellernas kloroplaster i alger och växter. Klorofyll är den viktigaste molekylen för att fånga solljusets energi och bygga in det i kolhydrater som växterna syntetiserar. Växterna utgör sedan föda för djuren. På så vis kan den fångade solenergin spridas i hela ekosystemet.

Fotosyntes med hjälp av klorofyll-a och b

Klorofyll-a och b ingår i växternas fotosyntes. Molekylerna är inbäddade i tylakoidmembranen i kloroplasterna, där fotosyntesen sker.

Varianter av klorofyll

De vanligaste klorofyllerna är klorofyll-a och klorofyll-b, men det finns också klorofyll c1, c2, d och f:

Klorofyll-a finns är universell och finns i alla organismer som innehåller klorofyll.
Klorofyll-b finns mest i växter
Klorofyll-c1 och c2 finns i olika alger
Klorofyll-d och f finns i cyanobakterier


Kloringruppen innehåller en magnesiumjon. Just denna klorinvariant ingår i klorofyll-a.
"Chlorin Chlorophyll a" av charlesy" Public Domain Mark

Klorofyll-a finns i alla organismer med fotosyntes, inklusive alger. Absorptionsmaxima ligger i det våglängdsområde där solljuset är intensivt. Energin fångas och kanaliseras till att driva sönderdelningen av vatten och vidare reaktion med koldioxid för att bilda kolhydrater.

Klorofyll-b finns även den i växter och gröna alger. Eftersom absorptionsmaxima för klorofyll-b är förskjutna en del i förhållande till klorofyll-a, så kompletterar klorofyll-b absorptionen av solljuset.

Klorofyll-c finns i vissa typer av alger, inklusive dinoflagellater. På samma sätt som klorofyll-b bidrar den till att fånga solljuset, men kolorfyll-c deltar inte själv i de fotokemiska reaktionerna som sedan följer.

Klorofyll-d finns i cyanobakterier och röda alger. Ljusabsorptionen sker i det långvågiga området vid 710 nm strax utanför det synliga området. Det är en anpassning till det ljus som finns tillgängligt på måttliga djup i havet.

Klorofyll-f absorberar också långvåglig ljus, ännu längre in i det infraröda våglängdsområdet som ligger utanför det synliga spektrat. Klorofyll-f finns i cyanobakterier.

Gemensamt för alla klorofylltyper är tetrapyrrolringen (klorin) som binder en magnesiumjon i centrum. Denna grupp är mycket lika hem-gruppen i hemoglobin, som i stället binder en järnjon.

När klorofyllet bryts ned på hösten

Kloringruppen i klorofyllet bryts ned till en färglös förening.
"Nonfluorescent chlorophil catabolite" av Ronhjones" Public Domain Mark

När hösten kommer, bryts bladens klorofyll ned samtidigt som antocyaniner bildas. Det leder till att det gröna försvinner och ersätts av röda och gula höstfärger.

Xantofyller är karotenoider besläktade med pigment som karoten och quercetin. Xantofyller är gula och orangefärgade. Visserligen finns de i bladen på sommaren, men de döljs av det gröna klorofyllet. När klorofyllet bryts ned blir de gula och orange färgerna synliga.

Antocyaniner bildas av socker med hjälp av solljuset under hösten. Bildningen gynnas av att hösten är relativt långdragen, men samtidigt kylig och solig. Även antocyaninernas färger blir tydliga av att klorofyllets kraftiga gröna färg försvinner.

Nedbrytningen av klorofyllet gör det möjligt för trädet att återvinna kvävet som finns i klorofyllet, innan trädet fäller sina blad.

Karotenoider

Färgerna hos tre vanliga karotenoider. Beta-karoten är en karoten eftersom den är ett kolväte. Lutein och violaxantin är xantofyller eftersom de innehåller syre.
Bilder: Svante Åberg

Karotenoiderna delas in i karotener och xantofyller. Karotenerna är kolväten. Xantofyllerna innehåller, förutom kol och väte, dessutom grundämnet syre.

Karotenoiderna innehåller alternerande enkel- och dubbelbindningar i kolvätekedjan. Kedjan är alltså en polymer av isoprengrupper, -C(CH3)=CH-.

Dessutom spegelvänds denna kolvätekedja i mitten av molekylen. Karotenoiden är alltås symmetrisk så att den kan delas i två likadana halvor.

De mest kända karotenoiderna är beta-karoten och lykopen. Beta-karoten finns i morötter och många vegetabilier som vi äter. Beta-karoten är också en färgämne i livsmedel med nummer E 160a. Lykopen är det röda pigment som ger färgen åt tomater.

Karotenoider är omättade kolväten som är mycket hydrofoba. De är olösliga i vatten, men i stället fettlösliga. Därför lagras karotenoider i fettvävnader i kroppen, men även i muskler, hud och ögon. Om man ska ta bort fläckar av karoten, måste man använda fettlösande borttagningsmedel. Ett trick är att gnugga fläcken med lite smör först, och sedan tvätta med tvål och vatten.

Karotenoider bidrar till ljusinsamlingen i fotosyntesen. De absorberar våglängder i det blågröna våglängdsområdet som klorofyllerna inte fångar upp.


Retinol, som bildas ur en halv beta-karoten, är en av de vanligare varianterna av A-vitamin.
"Retinol" av NEUROtiker" Public Domain Mark

Karotenoiderna skyddar också växterna mot alltför stark strålning. De omvandlar energin i strålningen till värme. Utan detta skydd skulle en del proteiner och cellmembraner i växterna ta skada.

När vi äter karotenoider, så spjälkas molekylen i två delar vid matsmältningen och bildar två molekyler A-vitamin. Vitamin A behövs för att foster ska utvecklas i den tidiga delen av graviditeten, och för att vi ska få en fullgod syn.

Lykopen är dock en karotenoid som inte bildar A-vitamin eftersom den saknar den cykliska kolvätegruppen som finns i A-vitamin.

Människor äter många olika karotenoider. Vi äter mest av β-karoten, lykopen, lutein, zeaxantin, β-kryptoxantin, och α-karoten, som tillsammans utgör 90 % av karotenoiderna i vår diet.

Karotenoiderna är också nyttiga. De har antioxidativ effekt och man har kunnat konstatera att de motverkar cancer.

Antocyaniner

Antocyaniner hittar vi i nästan alla frukter och bär, i många röda och blå blommor, och i höstlöv som blir röda när växtsäsongen lider mot sitt slut. Blåbär är särskilt rika på antocyaniner. Det är också gott om antocyaniner i rödkål.

Antocyaninerna innehåller många OH-grupper och sockergrupper, som ju är polära. Därför är antocyaninerna lättlösliga i vatten.

Eftersom antocyaninerna är antioxidanter, så anser man att de kan skydda mot fria radikaler som kan skada cellerna i kroppen. För mycket fria radikaler orsakar något som man kallar oxidativ stress. En hypotes är att de fria radikalerna bidrar till åldrandet och att antioxidanter skulle saktar ner åldringsprocessen något. Det finns tecken på att antocyaniner och andra flavonoider skulle ha ett flertal positiva hälsoeffekter.

Antocyaniner bryts ganska lätt ner av värme, syre och ljus. De är därför inte lätta att förvara. Om man vill behålla antocyaninerna, så är infrysning en möjlighet. Så länge som antocyaninerna finns i de frukter, bär och andra växter där de bildades, är dock nedbrytningen långsammare.

Betalainer

Betalainer påminner mycket om antocyaniner, till exempel vad gäller deras vattenlöslighet. Betalainer innehåller dock kväve, vilket antocyaninerna inte gör. Det har också visat sig att betalainer och antocyaniner aldrig förekommer tillsammans i samma växt.

Betalainer är antioxidanter, vilket betyder att de har förmågan att oskadliggöra fria radikaler som förekommer i kroppens celler. Fria radikaler är mycket reaktiva och kan bryta ner DNA och andra ämnen i kroppen. Om betalainerna verkligen fungerar i kropppen (in vivo) återstår att visa vetenskapligt, men hypotesen är att de skulle kunna minska risken för cancer och kärlsjukdomar. Man har kunnat visa att betalainer har viss hämmande effekt mot malaria och andra parasiter och att de har antimikrobiell effekt.

Det finns två typer av betalainer, nämligen betacyaniner och betaxantiner.

Betanin är färgen i rödbetor

Strukturen för betanin, det röda färgämnet i rödbetor.
"Betanin" av Shaddack" Public Domain Mark

Den mest kända betalainen är betanin, som finns i rödbetor och röda flugsvampar.

Betanin är ett livsmedelsfärgämne med nummer E162. Betanin är inte så stabilt. Det bryts ned av ljus, värme och syre. Det använd därför i frysta livsmedel. Det är lätt att utvinna betanin ur rödbetor eftersom det är så vattenlösligt.

Betaninens färg är pH-beroende med pKa1 = 3,3 och pKa2 = 8,5. Vid pH under 8 är färgen ljusare röd med dragning åt magenta. Vid pH över 9 är färgen blåviolett och mörkare. Vid vid tillräckligt höga pH sönderfaller betanin och färgen bleknar till en gröngul nyans.

Rödbetssaft kan användas som pH-indikator, men är inte lika bra som rödkålsindikatorn.