Chlorofil - Chlorophyll

Chlorofil w różnych skalach
Liście melisy
Chlorofil odpowiada za zielony kolor wielu roślin i alg.
Obraz mikroskopowy komórek roślinnych z chloroplastami widocznymi jako małe zielone kulki
Oglądany przez mikroskop chlorofil jest skoncentrowany w organizmach w strukturach zwanych chloroplastami – tutaj pokazanymi zgrupowanymi wewnątrz komórek roślinnych.
Liść pochłaniający światło niebieskie i czerwone, ale odbijający światło zielone
Rośliny są postrzegane jako zielone, ponieważ chlorofil pochłania głównie fale niebieskie i czerwone, ale zielone światło, odbijane przez struktury roślinne, takie jak ściany komórkowe, jest pochłaniane w mniejszym stopniu.
Struktura chlorofilu d
Istnieje kilka rodzajów chlorofilu, ale wszystkie mają wspólny ligand chlorowo- magnezowy , który tworzy prawą stronę tego diagramu.

Chlorofil (również chlorofilu ) jest jedną z kilku powiązanych zielone pigmenty znajdują się w mesosomes w cyjanobakteriach i w chloroplastach z alg i roślin . Jego nazwa pochodzi od greckich słów χλωρός , khloros ( „blado zielony”) i φύλλον , Phyllon ( „liść”). Chlorofil jest niezbędny w fotosyntezie , umożliwiając roślinom absorbowanie energii ze światła.

Chlorofile absorbują światło najsilniej w niebieskiej części części widma elektromagnetycznego , a także czerwonego porcji. Odwrotnie, jest słabym pochłaniaczem zielonych i prawie zielonych części widma. W związku z tym tkanki zawierające chlorofil wydają się zielone, ponieważ zielone światło odbijane dyfuzyjnie przez struktury, takie jak ściany komórkowe, jest mniej absorbowane. W fotosystemach roślin zielonych występują dwa rodzaje chlorofilu: chlorofil a i b .

Historia

Chlorofil został po raz pierwszy wyizolowany i nazwany przez Josepha Bienaimé Caventou i Pierre'a Josepha Pelletiera w 1817 roku. Obecność magnezu w chlorofilu odkryto w 1906 roku i było to pierwsze wykrycie tego pierwiastka w żywej tkance.

Po wstępnych pracach wykonanych przez niemieckiego chemika Richarda Willstättera obejmujących lata 1905-1915, ogólna struktura chlorofilu a została wyjaśniona przez Hansa Fischera w 1940 roku. W 1960 roku, kiedy większość stereochemii chlorofilu a była znana, Robert Burns Woodward opublikował całkowitą syntezę cząsteczki. W 1967 Ian Fleming ukończył ostatnie badanie stereochemiczne , aw 1990 Woodward i współautorzy opublikowali zaktualizowaną syntezę. W 2010 r. ogłoszono, że chlorofil f występuje w sinicach i innych mikroorganizmach tlenowych, które tworzą stromatolity ; wzór cząsteczkowy C 55 H 70 O 6 N 4 Mg i strukturę (2- formylo )-chlorofilu a wyznaczono na podstawie widma NMR, optycznego i masowego.

Fotosynteza

Widma absorbancji wolnego chlorofilu a ( niebieski ) ib ( czerwony ) w rozpuszczalniku. Widma cząsteczek chlorofilu są nieznacznie modyfikowane in vivo w zależności od określonych interakcji pigment-białko.
  Chlorofil A
  Chlorofil B

Chlorofil jest niezbędny do fotosyntezy , która pozwala roślinom pobierać energię ze światła .

Cząsteczki chlorofilu są rozmieszczone wi wokół fotosystemów osadzonych w błonach tylakoidowych chloroplastów . W tych kompleksach chlorofil spełnia trzy funkcje. Funkcją ogromnej większości chlorofilu (do kilkuset cząsteczek na fotosystem) jest pochłanianie światła. Uczyniwszy to, te same centra spełniają swoją drugą funkcję: przekazują tę energię światła poprzez transfer energii rezonansowej do określonej pary chlorofilów w centrum reakcji fotosystemów. Ta para wpływa na ostateczną funkcję chlorofilów, rozdzielanie ładunków, prowadząc do biosyntezy. Dwie obecnie akceptowane jednostki fotosystemu to fotosystem II i fotosystem I , które mają własne odrębne centra reakcji, nazwane odpowiednio P680 i P700 . Centra te są nazwane od długości fali (w nanometrach ) ich maksimum absorpcji w postaci czerwonego piku. Tożsamość, funkcja i właściwości spektralne typów chlorofilu w każdym fotosystemie są odrębne i determinowane przez siebie nawzajem oraz otaczającą je strukturę białkową. Po wyekstrahowaniu z białka do rozpuszczalnika (takiego jak aceton lub metanol ), te pigmenty chlorofilowe można rozdzielić na chlorofil a i chlorofil b .

Funkcją centrum reakcji chlorofilu jest pochłanianie energii świetlnej i przekazywanie jej do innych części fotosystemu. Pochłonięta energia fotonu jest przekazywana elektronowi w procesie zwanym separacją ładunku. Usunięcie elektronu z chlorofilu jest reakcją utleniania. Chlorofil przekazuje elektron o wysokiej energii do szeregu molekularnych związków pośrednich zwanych łańcuchem transportu elektronów . Naładowane centrum reakcji chlorofilu (P680 + ) jest następnie redukowane z powrotem do stanu podstawowego poprzez przyjęcie elektronu oderwanego od wody. Elektron, który redukuje P680 + ostatecznie pochodzi z utleniania wody do O 2 i H + przez kilka związków pośrednich. Ta reakcja polega na tym, że organizmy fotosyntetyczne, takie jak rośliny, produkują gaz O 2 i jest źródłem praktycznie całego O 2 w ziemskiej atmosferze. Photosystem I zazwyczaj pracuje szeregowo z Photosystemem II; w ten sposób P700 + fotosystemu I jest zwykle redukowany, ponieważ przyjmuje elektron, przez wiele pośrednich w błonie tylakoidów, przez elektrony pochodzące ostatecznie z fotosystemu II. Reakcje przeniesienia elektronu w błonach tylakoidów są jednak złożone, a źródło elektronów wykorzystywane do redukcji P700 + może się różnić.

Przepływ elektronów wytwarzany przez pigmenty chlorofilowe z centrum reakcyjnego jest wykorzystywany do pompowania jonów H + przez błonę tylakoidów, tworząc potencjał chemiosmotyczny stosowany głównie w produkcji ATP (magazynowanej energii chemicznej) lub do redukcji NADP + do NADPH . NADPH to uniwersalny środek służący do redukcji CO 2 do cukrów oraz innych reakcji biosyntezy.

Kompleksy chlorofilowo-białkowe centrów reakcyjnych są zdolne do bezpośredniego pochłaniania światła i przeprowadzania zdarzeń separacji ładunków bez pomocy innych pigmentów chlorofilowych, ale prawdopodobieństwo, że tak się stanie przy danym natężeniu światła, jest niewielkie. W ten sposób inne chlorofile w fotosystemie i białka pigmentu antenowego wspólnie absorbują i kierują energię świetlną do centrum reakcji. Oprócz chlorofilu a istnieją inne pigmenty, zwane pigmentami pomocniczymi , które występują w tych kompleksach pigment-antena białkowa.

Struktura chemiczna

Model wypełniający przestrzeń cząsteczki chlorofilu  a

Chlorofile są liczne pod względem typów, ale wszystkie są zdefiniowane przez obecność piątego pierścienia poza czterema pierścieniami podobnymi do piroli. Większość chlorofilów jest klasyfikowana jako chloryny , które są zredukowanymi krewnymi porfiryn (znajdujących się w hemoglobinie ). Dzielą one wspólną ścieżkę biosyntezy z porfirynami, w tym prekursorem uroporfirynogenu III . W przeciwieństwie do hemów, które zawierają żelazo w centrum pierścienia tetrapirolowego opartego na porfirynie , w chlorofilach centralny atom magnezu koordynuje się z chloryną , częściowo zredukowaną porfiryną. W przypadku struktur przedstawionych w tym artykule, dla przejrzystości pominięto niektóre ligandy przyłączone do centrum Mg2 + . Pierścień chlorowy może mieć różne łańcuchy boczne, zwykle zawierające długi łańcuch fitolowy . Najbardziej rozpowszechnioną formą w roślinach lądowych jest chlorofil a .

Struktury chlorofilów podsumowano poniżej:

Chlorofil a chlorofil b Chlorofil c 1 Chlorofil c 2 chlorofil d Chlorofil f
Formuła molekularna C 55 H 72 O 5 N 4 Mg C 55 H 70 O 6 N 4 Mg C 35 H 30 O 5 N 4 Mg C 35 H 28 O 5 N 4 Mg C 54 H 70 O 6 N 4 Mg C 55 H 70 O 6 N 4 Mg
Grupa C2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 −CHO
Grupa C3 -CH = CH 2 -CH = CH 2 -CH = CH 2 -CH = CH 2 −CHO -CH = CH 2
Grupa C7 CH 3 −CHO CH 3 CH 3 CH 3 CH 3
Grupa C8 CH 2 CH 3 CH 2 CH 3 CH 2 CH 3 -CH = CH 2 CH 2 CH 3 CH 2 CH 3
Grupa C17 −CH 2 CH 2 COO−Phytyl −CH 2 CH 2 COO−Phytyl −CH=CHCOOH −CH=CHCOOH −CH 2 CH 2 COO−Phytyl −CH 2 CH 2 COO−Phytyl
wiązanie C17-C18 Pojedynczy
(chlor)
Pojedynczy
(chlor)
Podwójny
(porfiryna)
Podwójny
(porfiryna)
Pojedynczy
(chlor)
Pojedynczy
(chlor)
Występowanie uniwersalny Głównie rośliny Różne glony Różne glony Cyjanobakteria Cyjanobakteria

Pomiar zawartości chlorofilu

Chlorofil tworzy ciemnozielone roztwory w rozpuszczalnikach organicznych.

Pomiar pochłaniania światła komplikuje rozpuszczalnik użyty do ekstrakcji chlorofilu z materiału roślinnego, co wpływa na uzyskiwane wartości,

  • W eterze dietylowym chlorofil a ma przybliżone maksima absorbancji 430 nm i 662 nm, podczas gdy chlorofil b ma przybliżone maksima 453 nm i 642 nm.
  • Piki absorpcji chlorofilu a są przy 465 nm i 665 nm. Chlorofil a fluoryzuje przy 673 nm (maksymalnie) i 726 nm. Pik molowy współczynnik absorpcji chlorofilu a przekracza 10 5  M -1  cm -1 , która jest jedną z największych małocząsteczkowych związków organicznych.
  • W 90% aceton-woda, długości fali piku absorpcji chlorofilu a wynoszą 430 nm i 664 nm; piki dla chlorofilu b to 460 nm i 647 nm; Piki dla chlorofilu C 1 są 442 nm i 630 nm; Piki dla chlorofilu C 2 są 444 nm i 630 nm; piki dla chlorofilu d to 401 nm, 455 nm i 696 nm.

Mierząc absorpcję światła w obszarach czerwieni i dalekiej czerwieni, możliwe jest oszacowanie stężenia chlorofilu w liściu.

Emisja współczynnika fluorescencji może być wykorzystana do pomiaru zawartości chlorofilu. Poprzez wzbudzenie fluorescencji chlorofilu a przy niższej długości fali, stosunek emisji fluorescencji chlorofilu przy705 ± 10 nm i735 ± 10 nm może zapewnić liniową zależność zawartości chlorofilu w porównaniu z testami chemicznymi. Stosunek F 735 / F 700 dał wartość korelacji r 2 0,96 w porównaniu z badaniami chemicznymi w zakresie od 41 mg m -2 do 675 mg m -2 . Gitelson opracował również wzór na bezpośredni odczyt zawartości chlorofilu w mg m −2 . Formuła zapewniła wiarygodną metodę pomiaru zawartości chlorofilu od 41 mg m -2 do 675 mg m -2 przy wartości korelacji r 2 wynoszącej 0,95.

Biosynteza

W niektórych roślinach chlorofil pochodzi z glutaminianu i jest syntetyzowany wzdłuż rozgałęzionej ścieżki biosyntezy, która jest wspólna dla hemu i sirohemu . Syntaza chlorofilu jest enzymem kończącym biosyntezę chlorofilu a poprzez katalizowanie reakcji EC 2.5.1.62

chlorofilid a + difosforan fitylu chlorofil a + difosforan

Tworzy to ester grupy kwasu karboksylowego w chlorofilidzie a z 20-węglowym diterpenowym fitolem alkoholowym . Chlorofil b jest wytwarzany przez ten sam enzym działający na chlorofil b .

W okrytozalążkowych roślin późniejsze etapy szlaku biosyntezy są lekkie zależny od takich roślin są pale ( etiolated ) jeżeli hodowane w ciemności. Rośliny nienaczyniowe i zielone glony mają dodatkowy enzym niezależny od światła i rosną zielone nawet w ciemności.

Sam chlorofil wiąże się z białkami i może przenosić zaabsorbowaną energię w wymaganym kierunku. Protochlorofilid , jeden z półproduktów biosyntezy, występuje głównie w postaci wolnej i pod wpływem światła działa jako fotosensybilizator , tworząc silnie toksyczne wolne rodniki . Rośliny potrzebują więc skutecznego mechanizmu regulacji ilości tego prekursora chlorofilu. U roślin okrytozalążkowych odbywa się to na etapie kwasu aminolewulinowego (ALA), jednego ze związków pośrednich w szlaku biosyntezy. Rośliny karmione ALA gromadzą wysokie i toksyczne poziomy protochlorofilidu; podobnie mutanty z uszkodzonym systemem regulacyjnym.

Starzenie się i cykl chlorofilowy

Proces starzenia się roślin obejmuje degradację chlorofilu: na przykład enzym chlorofilaza ( EC 3.1.1.14 ) hydrolizuje łańcuch boczny fitylu, aby odwrócić reakcję, w której chlorofil biosyntetyzuje się z chlorofilidu a lub b . Ponieważ chlorofilid a można przekształcić w chlorofilid b, a ten ostatni można ponownie estryfikować do chlorofilu b , procesy te umożliwiają cykliczne zmiany chlorofilów a i b . Ponadto chlorofil b można bezpośrednio zredukować (poprzez 7 1 -hydroksychlorofil a ) z powrotem do chlorofilu a , kończąc cykl. W późniejszych stadiach starzenia chlorofilidy są przekształcane w grupę bezbarwnych tetrapiroli znanych jako niefluorescencyjne katabolity chlorofilu (NCC) o ogólnej strukturze:

Niefluorescencyjne katabolity chlorofilu

Związki te są także określone w dojrzewania owoców i dają charakterystyczne kolory jesieni do liściastych roślin.

Wadliwe środowiska mogą powodować chlorozę

Chloroza to stan, w którym liście wytwarzają niewystarczającą ilość chlorofilu, powodując ich żółknięcie. Chloroza może być spowodowana niedoborem składników odżywczych żelaza – zwanym chlorozą żelaza – lub niedoborem magnezu lub azotu . pH gleby czasami odgrywa rolę w chlorozie wywołanej substancjami odżywczymi; wiele roślin jest przystosowanych do wzrostu w glebach o określonym poziomie pH i od tego może zależeć ich zdolność do wchłaniania składników odżywczych z gleby. Chlorozę mogą również powodować patogeny, w tym wirusy, bakterie i infekcje grzybicze lub owady wysysające soki.

Komplementarna absorbancja światła antocyjanów

Superpozycja widm chlorofilu A i B z oenina (malwidyna 3O glukozyd), typowy anthocyanidin , pokazano, że podczas gdy chlorofile absorbują w niebieskich i żółtych / czerwonej części widma widzialnego, oenina absorbuje głównie w zielonej części widma gdzie chlorofile w ogóle się nie wchłaniają.

Antocyjany to inne barwniki roślinne . Wzór absorbancji odpowiedzialny za czerwony kolor antocyjanów może być komplementarny do zielonego chlorofilu w tkankach aktywnych fotosyntetycznie, takich jak młode liście Quercus coccifera . Może chronić liście przed atakami roślinożerców, które mogą być przyciągane przez zielony kolor.

Dystrybucja

Mapy chlorofilu pokazują miligramy chlorofilu na metr sześcienny wody morskiej każdego miesiąca. Miejsca, w których ilość chlorofilu była bardzo niska, co wskazuje na bardzo niską liczbę fitoplanktonu , są oznaczone kolorem niebieskim. Miejsca, w których stężenie chlorofilu było wysokie, co oznacza, że ​​rosło wiele fitoplanktonu, są żółte. Obserwacje pochodzą ze spektroradiometru obrazowania średniej rozdzielczości (MODIS) na satelicie Aqua NASA. Ląd jest ciemnoszary, a miejsca, w których MODIS nie mógł zebrać danych z powodu lodu morskiego, polarnej ciemności lub chmur, są jasnoszare. Najwyższe stężenia chlorofilu, gdzie maleńkie rośliny ocean powierzchniowo mieszkania są kwitnącej , są w zimnych wodach polarnych lub w miejscach, gdzie prądy morskie przynoszą zimnej wody na powierzchni, takie jak wokół równika i wzdłuż wybrzeży kontynentów. To nie sama zimna woda stymuluje fitoplankton. Zamiast tego niskie temperatury są często oznaką, że woda wypłynęła na powierzchnię z głębin oceanu, niosąc składniki odżywcze, które nagromadziły się z czasem. W wodach polarnych składniki odżywcze gromadzą się w wodach powierzchniowych podczas ciemnych zimowych miesięcy, kiedy rośliny nie mogą rosnąć. Kiedy wiosną i latem powraca światło słoneczne, rośliny kwitną w wysokich stężeniach.

Zastosowanie kulinarne

Chlorofil syntetyczny jest zarejestrowany jako barwnik dodatku do żywności, a jego numer E to E140 . Kucharze używają chlorofilu do barwienia na zielono różnych potraw i napojów, takich jak makarony i napoje spirytusowe. Absynt uzyskuje swój zielony kolor w naturalny sposób dzięki chlorofilowi ​​wprowadzonemu przez dużą różnorodność ziół używanych do jego produkcji. Chlorofil nie jest rozpuszczalny w wodzie i najpierw miesza się go z niewielką ilością oleju roślinnego, aby uzyskać pożądany roztwór .

Zastosowanie biologiczne

Badanie z 2002 r. wykazało, że „liście wystawione na silne światło zawierały zdegradowane główne białka antenowe , w przeciwieństwie do tych trzymanych w ciemności, co jest zgodne z badaniami nad oświetleniem izolowanych białek ”. Wydawało się to autorom wsparciem dla hipotezy, że „ aktywne formy tlenu odgrywają rolę in vivo ” w krótkoterminowym zachowaniu roślin.

Zobacz też

Bibliografia