Хлорофилл – это термин, используемый для обозначения нескольких тесно связанных между собой зеленых пигментов, содержащихся в цианобактериях и хлоропластах водорослей и растений. Название происходит от греческих слов χλωρός, хлорос («зеленый») и φύλλον, phyllon («лист»). Хлорофилл является чрезвычайно важной биомолекулой, имеет решающее значение в процессе фотосинтеза, который позволяет растениям поглощать энергию света. Хлорофилл наиболее интенсивно поглощает свет в синей части спектра электромагнитного излучения, а также в красной части. С другой стороны, хлорофилл плохо поглощает зеленую и близкую к зеленой части спектра, которые он отражает, поэтому хлорофилл-содержащие ткани имеют зеленый цвет. Хлорофилл впервые был выделен и назван Жозефом Бьенеме Каванту и Пьером Жозефом Пеллетье в 1817 году.
Хлорофилл и фотосинтез
Хлорофилл имеет жизненно важное значение для фотосинтеза, который позволяет растениям поглощать энергию света. Молекулы хлорофилла специально расположены внутри и вокруг фотосистем, которые встроены в мембраны тилакоидов хлоропластов. В этих комплексах, хлорофилл выполняет две основные функции. Функция подавляющего большинства хлорофилла (до нескольких сотен молекул в фотосистеме) состоит в том, чтобы поглощать свет и передавать энергию света путем резонансного переноса энергии к конкретной паре хлорофилла в реакционном центре фотосистем. Две принятые в настоящее время единицы фотосистем – фотосистема II и фотосистема I, которые имеют свои собственные различные реакционные центры, названные Р680 и Р700, соответственно. Эти центры названы по длине волны (в нанометрах) их максимального поглощения в красном спектре. Идентичность, функциональность и спектральные свойства хлорофилла в каждой фотосистеме различны и определяются друг другом и белковой структурой, окружающей их. После извлечения из белка в растворителе (таком, как ацетон или метанол), пигменты хлорофилла могут быть разделены на хлорофилл а и б. Функция реакционного центра хлорофилла – поглощать энергию света и переносить её на другие части фотосистемы. Поглощенная энергия фотона передается электрону в процессе, называемом разделение зарядов. Удаление электрона из хлорофилла является реакцией окисления. Хлорофилл жертвует электроном с высокой энергией ряду молекулярных промежуточных продуктов, называемых цепью переноса электронов. Заряженный реакционный центр хлорофилла (P680 +) затем восстанавливается обратно в основное состояние, принимая электрон, отделенный от воды. Электрон, который восстанавливает Р680 +, в конечном счете, происходит от окисления воды в О2 и Н + через несколько промежуточных продуктов. В ходе этой реакции, фотосинтезирующие организмы, такие как растения, производят O2 газ, который является источником практически всего O2 в атмосфере Земли. Фотосистема I обычно работает последовательно с фотосистемой II; таким образом, P700 + фотосистемы I обычно восстанавливается, когда он принимает электрон, через множество промежуточных в тилакоидной мембране, при помощи электронов, которые приходят, в конечном счете, от фотосистемы II. Реакции переноса электронов в мембранах тилакоидов сложны, и источник электронов, используемый для восстановления P700 +, может меняться. Электронный поток, который создается пигментами реакционного центра хлорофилла, используется для накачки ионов Н + через мембрану тилакоида, настраивая хемиосмотической потенциал, используемый, главным образом, в производстве АТФ (накопленная химическая энергия), или в восстановлении NADP + в NADPH. НАДФ является универсальным агентом, используемым для восстановления СО2 в сахара, а также в других биосинтетических реакциях. РЦ хлорофилл-белковые комплексы способны непосредственно поглощать свет и разделять заряды без помощи других хлорофилловых пигментов, но вероятность этого при заданной интенсивности света мала. Таким образом, другие хлорофиллы фотосистемы и антенные пигментные белки кооперативно поглощают и переносят световую энергию к реакционному центру. Кроме хлорофилла а, существуют и другие пигменты, называемые вспомогательными пигментами, которые имеют место в этих антенных пигмент-белковых комплексах.
Химическая структура
Хлорофилл представляет собой хлориновый пигмент, который структурно подобен и производится в рамках того же пути метаболизма, что и другие порфириновые пигменты, такие как гем. В центре кольца хлорина находится ион магния. Это было обнаружено в 1906 году, и впервые магний был обнаружен в живой ткани. Хлориновое кольцо может иметь несколько различных боковых цепей, как правило, включающих длинную цепь фитола. Есть несколько различных форм, которые встречаются в природе, но наиболее широко у наземных растений распространена форма хлорофилл а. После первоначальной работы, проделанной немецким химиком Ричардом Вильштеттером с 1905 по 1915 годы, Ганс Фишер определил общую структуру хлорофилла а в 1940 г. К 1960 г., когда большая часть стереохимии хлорофилла а была известна, Вудворд опубликовал полный синтез молекулы. В 1967 году, последнее оставшееся стереохимическое объяснение было дано Яном Флемингом, а в 1990 году Вудворд и соавторы опубликовали обновленный синтез. Было объявлено, что хлорофилл е присутствует в цианобактериях и других оксигенных микроорганизмах, которые образуют строматолиты, в 2010 году. Молекулярная формула C55H70O6N4Mg и структура (2-формил)-хлорофил были выведены на основе ЯМР, оптического и масс-спектров.
Измерение содержания хлорофилла
Измерение поглощения света осложняется растворителем, используемым для извлечения хлорофилла из растительного материала, который влияет на полученные значения. В диэтиловом эфире, хлорофилл а имеет приблизительные максимумы абсорбции 430 нм и 662 нм, в то время как хлорофилл б имеет приблизительные максимумы 453 нм и 642 нм. Пики поглощения хлорофилла а составляют 665 нм и 465 нм. Хлорофилл флуоресцирует при 673 нм (максимум) и 726 нм. Пиковый молярный коэффициент поглощения хлорофилла а превышает 105 М-1 см-1, и является одним из самых высоких для малых молекул органических соединений. В 90% ацетона-воды, пиковые длины волн поглощения хлорофилла а составляют 430 нм и 664 нм; пики для хлорофилла б – 460 нм и 647 нм; пики для хлорофилла c1 – 442 нм и 630 нм; пики для хлорофилла с2 – 444 нм и 630 нм; пики для хлорофилла d – 401 нм, 455 нм и 696 нм. Измерив поглощение света в красном и дальнем красном спектрах, можно оценить концентрацию хлорофилла в листе. Коэффициент эмиссии флуоресценции может быть использован для измерения содержания хлорофилла. Возбуждая флуоресценцию хлорофилла «а» при более низкой длине волны, отношение флуоресцентной эмиссии хлорофиллов при 705 нм +/- 10 нм и 735 нм +/- 10 нм может обеспечить линейную зависимость содержания хлорофилла по сравнению с химическими испытаниями. Отношение F735 / F700 обеспечило значение корреляции r2 0,96 по сравнению с химическими испытаниями в диапазоне от 41 мг м-2 до 675 мг м-2. Гительзон также разработал формулу для прямого считывания содержания хлорофилла в мг м-2. Формула обеспечила надежный метод измерения содержания хлорофилла от 41 мг м-2 до 675 мг м-2 со значением корреляции r2 0,95.
Биосинтез
В растениях, хлорофилл может быть синтезирован из сукцинил-СоА и глицина, хотя непосредственным предшественником хлорофилла а и б является протохлорофиллид. У покрытосеменных растений, последний шаг, превращение протохлорофиллида в хлорофилл, зависит от освещенности, и такие растения являются бледными, если выращены в темноте. Несосудистые растения и зеленые водоросли имеют дополнительный фермент, независимый от света, и способны зеленеть в темноте. Хлорофилл связывается с белками и может передавать поглощенную энергию в нужном направлении. Протохлорофиллид встречается, главным образом, в свободной форме, и в условиях освещенности действует в качестве фотосенсибилизатора, образуя высокотоксичные свободные радикалы. Следовательно, растениям необходим эффективный механизм регулирования количества предшественника хлорофилла. У покрытосеменных растений, это делается на стадии аминолевулиновой кислоты (ALA), одного из промежуточных соединений в пути биосинтеза. Растения, которые питаются ALA, накапливают высокие и токсические уровни протохлорофиллида; так же делают мутанты с поврежденной системой регулирования.
Хлороз
Хлороз – это состояние, при котором листья производят недостаточное количество хлорофилла, что делает их желтыми. Хлороз может быть вызван питательным дефицитом железа, называемого хлорозом железа, либо нехваткой магния или азота. РН почвы иногда играет роль в хлорозе, вызванном питанием; многие растения приспособлены расти в почвах с определенными уровнями рН и их способности поглощать питательные вещества из почвы могут зависеть от этого. Хлороз также может быть вызван патогенными микроорганизмами, включая вирусы, бактерии и грибковые инфекции, или сосущих насекомых.
Дополнительное поглощение света антоцианов с хлорофиллом
Антоцианы – это другие растительные пигменты. Паттерн абсорбции, отвечающий за красный цвет антоцианов, может дополнять зеленый хлорофилл в фотосинтетически активных тканях, таких как молодые листья Quercus coccifera. Он может защищать листья от нападений со стороны травоядных, которые могут быть привлечены зеленым цветом.
Использование хлорофилла
Кулинарное использование
Хлорофилл зарегистрирован в качестве пищевой добавки (краситель), и его номер E140. Повара используют хлорофилл для окрашивания различных пищевых продуктов и напитков в зеленый цвет, такие как макароны и абсент. Хлорофилл не растворяется в воде, и его сначала смешивают с небольшим количеством растительного масла, чтобы получить желаемый раствор.
Польза для здоровья
Хлорофилл способствует укреплению органов кроветворения, обеспечивая профилактику анемии и обилие кислорода в организме. Его антиоксидантная активность оказывает благотворное влияние на различные медицинские состояния, такие как рак, бессонница, стоматологические заболевания, синусит, панкреатит и камни в почках. Хлорофилл способствует нормальной свертываемости крови, заживлению ран, гормональному балансу, дезодорации и детоксикации организма и способствует здоровью пищеварительной системы. Он благотворно влияет на окисление и воспалительные заболевания, такие как артрит и фибромиалгия. Он проявляет омолаживающие и противомикробные свойства и способствует укреплению иммунной системы организма.
Общее
Хлорофилл является пищевым продуктом, содержащим большое количество питательных веществ. Он является хорошим источником витаминов, таких как витамин А, витамин С, витамин Е, витамин К и бета-каротин. Он богат антиоксидантами, жизненно важными минералами, такими как магний, железо, калий, кальций и незаменимые жирные кислоты.
Эритроциты
Хлорофилл помогает в восстановлении и пополнении запасов красных кровяных клеток. Он работает на молекулярном и клеточном уровнях и обладает способностью к регенерации нашего тела. Он богат живыми ферментами, которые способствуют очищению крови и повышают способность крови переносить больше кислорода. Он является строителем крови и также эффективен против анемии, которая вызвана дефицитом красных кровяных клеток в организме.
Рак
Хлорофилл эффективен против рака, например, рака толстой кишки человека, и стимулирует индукцию апоптоза. Он обеспечивает защиту от широкого спектра канцерогенов, присутствующих в воздухе, приготовленном мясе и зерне. Исследования показали, что хлорофилл помогает в сдерживании желудочно-кишечной абсорбции вредных токсинов, также известных как афлатоксины, в организме. Хлорофилл и его производное хлорофиллин ингибируют метаболизм этих прокарциногенов, которые могут нанести ущерб ДНК, а также привести к раку печени и гепатиту. Дальнейшие исследования, проведенные в этой связи, демонстрируют химио-профилактическое действие хлорофилла, приписывая ему антимутагенные свойства. Другое исследование показало эффективность диетического хлорофилла в качестве фитохимического соединения, сокращающего онкогенез.
Антиоксидант
Хлорофилл обладает сильной антиоксидантной активностью, наряду со значительным количеством необходимых витаминов. Эти эффективные поглотители радикалов помогают нейтрализовать вредные молекулы и защитить от развития различных заболеваний и повреждений в результате окислительного стресса, вызванного свободными радикалами.
Артрит
Противовоспалительные свойства хлорофилла являются полезными для лечения артрита. Исследования показали, что хлорофилл и его производные мешают росту воспаления, вызванного воздействием бактерий. Этот защитный характер хлорофилла делает его мощным ингредиентом для приготовления фитосанитарных продуктов для лечения болезненных медицинских состояний, таких как фибромиалгия и артрит.
Детоксикация
Хлорофилл имеет очищающие свойства, которые помогают в детоксикации организма. Обилие кислорода и здорового потока крови из-за хлорофилла в организме способствует избавлению от вредных примесей и токсинов. Хлорофилл образует комплексы с мутагенами и обладает способностью связывать и вымывать токсичные химические вещества и тяжелые металлы, такие как ртуть, из организма. Он способствует детоксикации и возрождению печени. Он также эффективен в снижении вредного воздействия излучений и помогает устранить пестициды и отложения препаратов из организма.
Анти-старение
Хлорофилл помогает в борьбе с последствиями старения и поддерживает здоровье тканей, из-за богатства антиоксидантов и присутствия магния. Он стимулирует ферменты, действующие против старения, и способствует здоровью и молодости кожи. В дополнение к этому, витамин K, присутствующий в нем, очищает и омолаживает надпочечники и улучшает функции надпочечников в организме.
Пищеварительная система
Хлорофилл способствует здоровому пищеварению путем поддержания кишечной флоры и стимулирования перистальтики кишечника. Он действует как естественный препарат для желудочно-кишечного тракта и помогает в восстановлении поврежденных тканей кишечника. Диеты с дефицитом зеленых овощей и включающие, в основном, красное мясо, представляют повышенную опасность нарушений толстой кишки. Согласно исследованиям, хлорофилл облегчает очищение толстой кишки путем ингибирования цитотоксичности, вызванной диетическим гемом и предотвращает распространение колоноцитов. Он эффективен при запорах и уменьшает дискомфорт, вызванный газами.
Бессонница
Хлорофилл оказывает успокаивающее действие на нервы и помогает в снижении симптомов бессонницы, раздражительности и нервной общей усталости организма.
Антимикробные свойства
Хлорофилл обладает эффективными противомикробными свойствами. Недавние исследования показали, что лечебный эффект щелочного раствора на основе хлорофилла в борьбе с заболеванием, называемым Candida Albicans, инфекцией, вызванной разрастанием дрожжей кандида, уже присутствует в небольших количествах в организме человека.
Иммунитет
Хлорофилл способствует укреплению клеточных стенок и общей иммунной системы организма из-за его щелочного характера. Анаэробные бактерии, которые способствуют развитию заболеваний, не могут выжить в щелочной среде хлорофилла. Наряду с этим, хлорофилл является оксигенатором, который поощряет способность организма бороться с заболеваниями и повышает уровень энергии и ускоряет процесс заживления.
Дезодорирующие свойства
Хлорофилл проявляет дезодорирующие свойства. Он является эффективным средством для борьбы с неприятным запахом изо рта и используется в составе жидкостей для полоскания рта. Плохое здоровье пищеварительной является одной из основных причин неприятного запаха изо рта. Хлорофилл выполняет двойное действие, устраняя запах изо рта и горла, а также стимулируя здоровье пищеварительной системы путем очищения толстой кишки и потока крови. Дезодорирующий эффект хлорофилла также эффективно воздействует на раны, имеющие неприятный запах. Его вводят перорально пациентам, страдающим от колостомы и нарушений обмена веществ, таких как триметиламинурия, для снижения фекального и мочевого запаха.
Заживление ран
Исследования показывают, что местное применение растворов хлорофилла является эффективным при лечении ран и ожогов. Он помогает снижать местные воспаления, укрепляет ткани организма, помогает убивать микробов и повышает устойчивость клеток против инфекций. Он предотвращает рост бактерий, дезинфицируя окружающую среду, делая её враждебной для роста бактерий, и ускоряет заживление. Хлорофилл также весьма эффективен при лечении хронических варикозных язв.
Кислотно-щелочное соотношение
Потребление продуктов, богатых хлорофиллом, помогает сбалансировать кислотно-щелочной баланс в организме. Магний, присутствующий в нем, является мощной щелочью. Поддерживая соответствующую щелочность и уровни кислорода в организме, хлорофилл предотвращает развитие среды для роста патогенных микроорганизмов. Магний, присутствующий в хлорофилле, также играет важную роль в поддержании здоровья сердечно-сосудистой системы, функционировании почек, мышц, печени и головного мозга.
Сильные кости и мышцы
Хлорофилл способствует формированию и поддержанию крепких костей. Центральный атом молекулы хлорофилла, т.е. магний, играет важную роль в здоровье костей, наряду с другими необходимыми питательными веществами, такими как кальций и витамин D. Он также вносит вклад в тонус, сокращение и расслабление мышц.
Свертывание крови
Хлорофилл содержит витамин К, который имеет жизненно важное значение для нормального свертывания крови. Он используется в натуропатии для лечения носовых кровотечений и для женщин, страдающих от анемии и тяжелого менструального кровотечения.
Камни в почках
Хлорофилл способствует предотвращению образования камней в почках. Витамин К присутствует в виде эфирных соединений хлорофилла в моче и помогает в снижении роста кристаллов оксалата кальция.
Синусит
Хлорофилл эффективен в лечении различных респираторных инфекций и других заболеваний, таких как простуда, ринит и синусит.
Гормональный баланс
Хлорофилл полезен в поддержании полового гормонального баланса у мужчин и женщин. Витамин Е, присутствующий в хлорофилле, помогает стимулировать выработку тестостерона у мужчин и эстрогена у женщин.
Панкреатит
Хлорофилл вводят внутривенно при лечении хронического панкреатита. Согласно результатам исследования, проведенного в связи с этим, он помогает в снижении лихорадки и уменьшает боль в животе и дискомфорт, вызванный панкреатитом, не вызывая никаких побочных эффектов.
Гигиена полости рта
Хлорофилл помогает в лечении стоматологических проблем, таких как пиорея. Он используется для лечения симптомов инфекции полости рта и успокаивает воспаленные и кровоточащие десна.
Источники хлорофилла
Не очень трудно включить хлорофилл в ежедневный рацион, так как почти все зеленые растения богаты хлорофиллом а, и многие овощи, которые являются неотъемлемой частью нашей пищи, содержат хлорофилл а, а также хлорофилл б. Потребление овощей, таких как руккола, ростки пшеницы, лук-порей, зеленые бобы и темно-зеленые листовые овощи, такие как петрушка, капуста, кресс-салат, листовая свекла и шпинат, обеспечивают естественный хлорофилл для организма. Другие источники включают капусту, синие зеленые водоросли, такие как хлорелла и спирулина. Приготовление пищи разрушает содержащиеся в ней хлорофилл и магний, поэтому сырые или приготовленные на пару овощи являются более полезными.
Предостережения
Несмотря на клиническое использование в течение многих лет, токсические эффекты естественного хлорофилла в обычных дозах не были известны. Тем не менее, хлорофилл может вызвать некоторое изменение цвета языка, мочи или кала при пероральном введении. Наряду с этим, хлорофилл также может вызвать легкое жжение или зуд при местном применении. В редких случаях, передозировка хлорофиллом может привести к диарее, спазмам в животе и поносу. При таких симптомах, целесообразно обратиться за медицинской помощью. Беременные или кормящие женщины должны воздерживаться от использования коммерчески доступного хлорофилла или добавок хлорофилина из-за отсутствия доказательств безопасности.
Лекарственные взаимодействия
Пациентам, проходящим гваяковую пробу на скрытую кровь, следует избегать перорального использования хлорофиллина, так как это может привести к ложноположительному результату.
Резюме
Хлорофилл обеспечивает энергию солнца в концентрированной форме для нашего тела и является одним из самых полезных питательных веществ. Он повышает уровень энергии и усиливает общее состояние благополучия. Он также полезен при ожирении, сахарном диабете, гастрите, геморрое, астме и кожных заболеваниях, таких как экзема. Он помогает в лечении высыпаний и в борьбе с инфекциями кожи. Потребление хлорофилла профилактически также предотвращает неблагоприятные последствия хирургического вмешательства и его рекомендуется вводить до и после операции. Содержание в нем магния помогает в поддержании кровотока в организме и поддерживает нормальный уровень кровяного давления. Хлорофилл в целом улучшает клеточный рост и восстанавливает здоровье и бодрость в организме.
:Tags
Список использованной литературы:
Meskauskiene R; Nater M; Goslings D; Kessler F; op den Camp R; Apel K. (23 October 2001). «FLU: A negative regulator of chlorophyll biosynthesis in Arabidopsis thaliana». Proceedings of the National Academy of Sciences. 98 (22): 12826–12831. Bibcode:2001PNAS…9812826M. doi:10.1073/pnas.221252798. JSTOR 3056990. PMC 60138free to read. PMID 11606728
Adams, Jad (2004). Hideous absinthe: a history of the devil in a bottle. United Kingdom: I.B.Tauris, 2004. p. 22. ISBN 1860649203.
Хлорофилл А против В
Растения и водоросли - это живые организмы, которые могут создавать свою собственную пищу, а животные получают свою пищу от этих растений. Этот процесс создания пищи называется фотосинтезом и использует хлорофилл. Хлорофилл является зеленым пигментом в растениях и водорослях, который по существу используется при фотосинтезе. Он поглощает свет и энергию от синей и красной частей электромагнитного спектра, но не поглощает лунку зеленой порции, которая придает растениям хлорофилл в растениях свой зеленый цвет Затем свет и энергия переносятся в реакционные центры двух фотосистем, Photosystem I и Photosystem II. Эти фотосистемы имеют реакционные центры, P680 и P700, которые поглощают и используют энергию, которую они получают от других пигментов хлорофилла. Фотосинтез использует два типа хлорофилла, хлорофилла а и б, для получения энергии. Хлорофилл А Хлорофилл а поглощает энергию от длин волн сине-фиолетового и оранжево-красного света при 675 нм. Он отражает зеленый свет, который придает хлорофиллу свой зеленый вид. Это очень важно в энергетической фазе фотосинтеза, потому что молекулы хлорофилла a необходимы до того, как фотосинтез может продолжаться. Это первичный фотосинтетический пигмент. Это реакционный центр антенной решетки, который состоит из основных белков, которые связывают хлорофилл а с каротиноидами. Организмы, в частности кислородные фотосинтезирующие, используют хлорофилл а и используют различные ферменты для биосинтеза. Хлорофилл B Хлорофилл б поглощает энергию от длин волн зеленого света при 640 нм. Это вспомогательный пигмент, который собирает энергию и передает его на хлорофилл а. Он также регулирует размер антенны и более абсорбируется, чем хлорофилл a. Хлорофилл b дополняет хлорофилл a. Его добавление к хлорофиллу а увеличивает спектр поглощения за счет увеличения диапазона длин волн и расширения спектра поглощаемого света. Когда имеется мало света, растения производят больше хлорофилла b, чем хлорофилл a, чтобы увеличить его способность к фотосинтезу. Это необходимо, потому что молекулы хлорофилла a захватывают ограниченную длину волны, поэтому вспомогательные пигменты, такие как хлорофилл b, необходимы для захвата более широкого диапазона света. Затем он передает захваченный свет от одного пигмента к другому, пока не достигнет хлорофилла а в реакционном центре. Хлорофилл а не может эффективно функционировать без помощи хлорофилла b, а хлорофилл b не может эффективно производить достаточно энергии самостоятельно. Эти два типа хлорофиллов поэтому очень важны в процессе фотосинтеза. Они работают лучше всего вместе. Резюме 1. Хлорофилл а является основным фотосинтетическим пигментом, а хлорофилл б является вспомогательным пигментом, который накапливает энергию и передает его хлорофиллу а. 2. Хлорофилл а поглощает энергию от длин волн сине-фиолетового и оранжево-красного света, а хлорофилл б поглощает энергию от длин волн зеленого света. 3. Хлорофилл а поглощает энергию при 675 нм, тогда как хлорофилл б поглощает энергию при 640 нм. 4. Хлорофилл b является более абсорбирующим, а хлорофилл a - нет. 5. Хлорофилл а является реакционным центром антенной решетки основных белков, а хлорофилл б регулирует размер антенны.
Основным пигментом зеленых растений является молекула хлорофилла, участвующая в процессе поглощения света. Высшие растения содержат две формы хлорофилла: хлорофилл а и хлорофилл b. Структура хлорофилла а (рис. 40) установлена Вилыптеттером и Фишером и подтверждена в 1960 г. Вудвордом, осуществившим полный синтез хлорофилла а.
В основе молекулы хлорофилла лежит плоское порфириновое кольцо, в центре которого находится ион атома магния, координационно соединенный с атомами азота порфиринового кольца.
Плоская структура порфиринового кольца обусловлена сопряженными двойными и простыми связями -электронов между атомами углерода и азота. Эти электроны «делокализованы», т. е. равномерно распределены вдоль «периферии» порфиринового кольца (выделенная точками область на рис. 40). Изменение состояния движения -электронов в кольце требует сравнительно небольшой энергии. Поэтому спектр поглощения света молекулой хлорофилла лежит в красной области. Дипольный электрический момент перехода в возбужденное состояние находится в плоскости порфиринового кольца.
Кроме порфиринового кольца молекула хлорофилла имеет длинную гидрофобную цепь - «хвост», в состав которого входят 20 углеродных атомов. Эта боковая цепь представляет собой остаток спирта фитола. Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что в последнем группа - заменена группой - СНО. Таким образом, хлорофилл b содержит на один атом кислорода больше и на два атома водорода меньше, чем хлорофилл а.
Спектры поглощения обеих форм хлорофилла приведены на рис. 41. Максимумы полос поглощения хлорофилла а лежат в областях длин волн К да 700 нм (красная) и К да 440 нм (фиолетовая), максимумы полос поглощения хлорофилла b - в областях длин волн 660 и 460 нм.
Максимальная интенсивность солнечного света, достигающего земной поверхности, приходится на сине-зеленую и зеленую области длин волн (450-550 нм). Оказывается, что именно в этих областях поглощение света молекулами хлорофилла минимально.
Хлорофилл а найден у всех зеленых растений и водорослей. Хлорофилл b отсутствует у многих водорослей. Эти водоросли иногда содержат другие разновидности хлорофилла: с и d. Фотосинтезирующие бактерии, не выделяющие кислород, хлорофилла а не содержат. В их состав обычно входит особый тип хлорофилла- бактериохлорофилл.
Как указывалось выше, кроме молекул хлорофилла многие фотосинтезирующие клетки содержат также пигментные молекулы,
Рис. 40. Структурные формулы хлорофилла а и хлорофилла b.
поглощающие свет в других областях спектра и придающие организмам различную окраску. Эти молекулы расширяют спектральную область света, используемую при фотосинтезе. Кроме того, каротиноиды предохраняют хлорофилл от необратимого фотоокисления кислородом.
Структурные формулы одного из каротинов и фикоцианобилина указаны на рис. 42. Каротины имеют длинные полиизопреновые цепи сопряженных двойных и одиночных связей. На каждом конце молекулы находятся циклогексановые кольца. Фикоциашшы, входящие в состав синезеленых водорослей, содержат четыре пи-рольных кольца. Они могут образовывать комплексы со специфическими белками.
На рис. 43 представлена схема первых энергетических уровней молекулы хлорофилла а. В основном состоянии молекула имеет нулевой спин. Все возбужденные состояния с нулевым спином называются синглетными (S). У молекулы возможны также возбужденные состояния со спином единица (в единицах h). Они называются триплетными (Т). Время жизни первого синглетного состояния . Время жизни нулевого триплетного состояния .
Рис. 41. Спектры поглощения света хлорофиллом а (1) и хлорофиллом b (2).
Под действием света в молекуле осуществляются только переходы в синглетные возбужденные состояния. Если молекулы хлорофилла при поглощении света переходят в возбужденные состояния с энергиями, превышающими энергию первого возбужденного состояния то вследствие безыэлучательных процессов за время 10-12 - 10-13 с они переходят в первое синглетное нозбужденное состояние отдавая избыток энергии растворителю.
Из синглегного состояния за время происходит переход в основное состояние с излучением света ( нм). Это явление называется флуоресценцией. Имеется также небольшая вероятность безызлучательного перехода молекулы из нозбужденного состояния в триплетное возбужденное состояние Из-за слабого взаимодействия спина с электромагнитной волной время жизни триплетного состояния по отношению к излучению света X я» 930 нм при переходе в основное синглетное состояние сравнительно велико . Большая длительность премени жизни триплетного состояния обусловлена маловероятным процессом изменения спина молекулы от единицы до нуля.
Растворы, содержащие молекулы пигментов только одного типа (хлорофилл b, хлорофилл а, каротиноиды и др.), при низких температурах имеют характерные спектры флуоресценции, соответствующие квантовым переходам -электронов из нижайших синлетных возбужденных состояний в основное синглетное состояние молекулы. Наряду с основным излучением наблюдается слабое, медленно спадающее и более длинноволновое излучение, соответствующее переходам с нижайших триплетных состояний этих молекул в основное синглетное состояние.
В связи с тем что электронные переходы в пигментных молекулах сопровождаются изменением многих низкочастотных колебательных состояний молекул и окружающей среды, их полосы поглощения и люминесценции имеют значительную ширину.
При исследовании флуоресценции пигментов, входящих в состав
Рис. 42. Структурные формулы фотосинтезирующих пигментов: а - бета-каратин; б - фикоцианобилин.
хлоропластов, наблюдается только флуоресценция хлорофилла а. Более коротковолновая флуоресценция хлорофилла 6 и других пигментных молекул не обнаруживается даже в том случае, когда хлоропласт освещается светом с длиной волны, совпадающей с длиной волны спектра поглощения соответствующего пигмента.
Таким образом, основная масса пигментных молекул выполняет роль светособирающих систем (антенн). Пигментные молекулы в хлоропластах образуют ансамбли упорядоченно расположенных молекул .
Отмеченные выше свойства флуоресценции хлоропластов указывают, что в таких ансамблях происходит сравнительно быстрая (10-11 - 10-12 с) миграция энергии синглетного возбуждения по молекулам пигмента к молекулам хлорофилла а.
Квантовая теория систем слабо взаимодействующих одинаковых молекул показывает , что вследствие резонансного взаимодействия между возбужденной и невозбужденной молекулами в системе возникают коллективные бестоковые возбужденные состояния - экситоны, переносящие возбуждение от одних мест системы к другим. Резонансное взаимодействие с увеличением расстояния убывает сравнительно медленно (как ) и может проявляться даже на расстояниях порядка 50 А.
Когда экситон, перемещаясь по системе пигментных молекул, достигает молекулы хлорофилла а, имеющей более низкий уровень возбуждения, он переводит ее в возбужденное состояние,
Рис. 43. Схема синглетных (S t) и триплетных (71,) энергетических уровней молекулы хлорофилла а.
Прямые отрепки соответствуют поглощению, волнистые стрелки - флуоресценции; цифры указывают длины волн в нанометрах.
отдавая избыток энергии тепловому резервуару. Такая небольшая потеря энергии исключает обратный переход энергии возбуждения с молекул хлорофилла а к пигментным светособирающим молекулам.
Молекула хлорофилла а, получившая энергию от светособирающих молекул, отдает ее в виде излучения света - флуоресценции. Это явление хорошо изучено при исследовании люминесценции молекулярных кристаллов, содержащих примесные молекулы с энергией возбуждения более низкой, чем энергия возбуждения молекул основного вещества, и называется сенсибилизированной люминесценцией.
Некоторое время считали, что молекулами, воспринимающими энергию возбуждения от светособирающих молекул, являются особые молекулы хлорофилла а. Теперь установлено (см. п. 17.2), что эту роль выполняют в хлоропластах и хроматофорах особые фотосинтезирующие реакционные центры, в состав которых входит несколько молекул хлорофилла. Эти молекулы в реакционном центре образуют своеобразный комплекс, выступающий как единое целое со своим спектром возбужденных состояний. При этом энергия нижайшего из них меньше энергии отдельной молекулы хлорофилла. Установлено, что число реакционных центров в мембране значительно меньше числа светособирающих молекул (1/400).
Фотосинтезирующие реакционные центры (ловушки экситонов) входят в состав фотосинтезирующих систем (ФС), в которых осуществляются световые реакции фотосинтеза. Фотосинтезирующие системы наряду с реакционными центрами, воспринимающими энергию света, содержат ряд других молекул - ферменты, белки, липиды, липопротеиды, которые участвуют в организации фотосинтезирующей системы и в выполнении ею световой части биохимических реакций. Фотосинтезирующие системы сравнительно жестко вмонтированы в мембраны тилакоидов.
С точки зрения исследования первичных процессов фотосинтеза на молекулярном уровне особый интерес представляет изучение организации пигментных слоев и структуры фотосинтезирующих систем, в частности изучение реакционных центров, входящих в их состав.
Важнейшую роль в процессе фотосинтеза играют зеленые пигменты - хлорофиллы. Французские ученые П.Ж. Пелетье и Ж. Кавенту (1818) выделили из листьев зеленое вещество и назвали его хлорофиллом (от греч. «хлорос» - зеленый и «филлон» - лист). В настоящее время известно около десяти хлорофиллов. Они отличаются по химическому строению, окраске, распространению среди живых организмов. У всех высших растений содержатся хлорофиллы а и b. Хлорофилл с обнаружен в диатомовых водорослях, хлорофилл d - в красных водорослях. Кроме того, известны четыре бактериохлорофилла (a, b, c и d), содержащиеся в клетках фотосинтезирующих бактерий. В клетках зеленых бактерий имеются бактериохлорофиллы с и d, в клетках пурпурных бактерий - бактериохлорофиллы а и b.
Основными пигментами , без которых фотосинтез не идет, являются хлорофилл а для зеленых растений и бактериохлорофиллы для бактерий . Впервые точное представление о пигментах зеленого листа высших растений было получено благодаря работам крупнейшего русского ботаника М.С. Цвета (1872-1919). Он разработал новый хроматографический метод разделения веществ и выделил пигменты листа в чистом виде. Хроматографический метод разделения веществ основан на их различной способности к адсорбции. Метод этот получил широкое применение. М.С. Цвет пропускал вытяжку из листа через стеклянную трубку, заполненную порошком - мелом или сахарозой (хроматографическую колонку). Отдельные компоненты смеси пигментов различались по степени адсорбируемости и передвигались с разной скоростью, в результате чего они концентрировались в разных зонах колонки. Разделяя колонку на отдельные части (зоны) и используя соответствующую систему растворителей, можно было выделить каждый пигмент. Оказалось, что листья высших растений содержат хлорофилл а и хлорофилл b, а также каротиноиды (каротин, ксантофилл и др.). Хлорофиллы, так же как и каротиноиды, нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях. Хлорофиллы а и b различаются по цвету: хлорофилл а имеет сине-зеленый оттенок, а хлорофилл - желто-зеленый. Содержание хлорофилла а в листе примерно в три раза больше по сравнению с хлорофиллом b.
По химическому строению хлорофиллы - сложные эфиры дикарбоновой органической кислоты - хлорофиллина и двух остатков спиртов - фитола и метилового. Эмпирическая формула - C55H7205N4Mg. Хлорофиллин представляет собой азотсодержащее металлорганическое соединение, относящееся к магнийпорфиринам.
В хлорофилле водород карбоксильных групп замещен остатками двух спирит - метилового СН3ОН и фитола С20Н39ОН, поэтому хлорофилл является сложным эфиром.
Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что содержит на два атома водорода меньше и на один атом кислорода больше (вместо группы СН3 группа СНО). В связи с этим молекулярная масса хлорофилла а - 893 и хлорофилла b - 907. В центре молекулы хлорофилла расположен атом магния, который соединен четырьмя атомами азота пиррольных группировок. В пиррольных группировках хлорофилла имеется система чередующихся двойных и простых связей. Это N есть хромофорная группа хлорофилла , обусловливающая поглощение определённых лучей солнечного спектра и его окраску. Диаметр порфиринового ядра составляет 10 нм, а длина фитольного остатка - 2 нм. Расстояние между атомами азота пиррольных группировок в ядре хлорофилл составляет 0,25 нм. Интересно, что диаметр атома магния равен 0,24 нм. Таким образом, магний почти полностью заполняет пространство между атомами азота пиррольных группировок. Это придает ядру молекулы хлорофилла дополнительную прочность.
Одной из специфических черт строения хлорофилла является наличие в его молекуле помимо четырех гетероциклов еще одной циклической группировки из пяти углеродных атомов - циклопентанона. В циклопентановом кольце содержится кетогруппа, обладающая большой реакционной способностью . Есть данные, что в результате процесса энолизации по месту этой кетогруппы к молекуле хлорофилла присоединяется вода. Молекула хлорофилла полярна, ее порфириновое ядро обладает гидрофильными свойствами, а фитольный конец - гидрофобными. Это свойство молекулы хлорофилла обусловливает определенное расположение ее в мембранах хлоропластов. Порфириновая часть молекулы связана с белком, а фитольная цепь погружена в липидный слой.
Извлеченный из листа хлорофилл легко реагирует как с кислотами, так и со щелочами. При взаимодействии со щелочью происходит омыление хлорофилла, в результате чего образуются два спирта и щелочная соль кислоты хлорофиллина.
В интактном живом листе от хлорофилла может отщепляться фитол под воздействием фермента хлорофиллазы. При взаимодействии со слабой кислотой извлеченный хлорофилл теряет зеленый цвет, образуется соединение феофитин, у которого атом магния в центре молекулы замещен на два атома водорода.
Хлорофилл в живой интактной клетке обладает способностью к обратимому фотоокислению и фотовосстановлению . Азот пиррольных ядер может окисляться (отдавать электрон) или восстанавливаться (присоединять электрон).
Исследования показали, что свойства хлорофилла, находящегося в листе и извлеченного из листа, различны, так как в листе он находится в комплексном соединении с белком. Это доказывается следующими данными:
- Спектр поглощения хлорофилла, находящегося в листе, иной по сравнению с извлеченным хлорофиллом.
- Хлорофилл невозможно извлечь абсолютным спиртом из сухих листьев. Экстракция протекает успешно, только если листья увлажнить или к спирту добавить воды, которая разрушает связь между хлорофиллом и белком.
- Выделенный из листа хлорофилл легко подвергается разрушению под влиянием самых разнообразных воздействий (повышенная кислотность, кислород и даже свет).
Между тем в листе хлорофилл достаточно устойчив ко всем перечисленным факторам. Для гемоглобина характерно постоянное соотношение - на 1 молекулу белка приходится 4 молекулы гемина. Между тем соотношение между хлорофиллом и белком различно и претерпевает изменения в зависимости от типа растений, фазы их развития, условий среды (от 3 до 10 молекул хлорофилла на 1 молекулу белка). Связь между молекулами белка и хлорофиллом осуществляется путем нестойких комплексов, образующихся при взаимодействии кислотных групп белковых молекул и азота пиррольных колец. Чем выше содержание дикарбоновых аминокислот в белке, тем лучше идет их комплексирование с хлорофиллом (Т.Н. Годнев).
Важным свойством молекул хлорофилла является их способность к взаимодействию друг с другом. Переход из мономерной в агрегированную форму возник в результате взаимодействия двух и более молекул при их близком расположении друг к другу. В процессе образования хлорофилла его состояние в живой клетке закономерно меняется. В настоящее время показано, что хлорофилл в мембранах пластид находится в виде пигментлипопротеидных комплексов с различной степенью агрегации.
