ХЛОРОФИ́ЛЛ -а; м. [от греч. chlōros - бледно-зелёный и phyllon - лист] Зелёный пигмент растений, поглощающий световую энергию и преобразующий её в химическую. Зёрна хлорофилла.
◁ Хлорофи́лловый; Хлорофи́льный, -ая, -ое. Х-ые зёрна.
* * *
хлорофи́лл (от греч. chlōrós - зелёный и phýllon - лист), зелёный пигмент растений, содержащийся в хлоропластах. В процессе фотосинтеза поглощает световую энергию и превращает её в энергию химических связей органических соединений. По химическому строению сложное циклическое соединение - порфирин, содержащий атом Mg. Существуют различные (близкие по структуре) типы хлорофилла.
* * *
ХЛОРОФИЛЛ - ХЛОРОФИ́ЛЛ (от греч. chloros - зеленый и phyllon - лист), зеленый пигмент растений, с помощью которого они улавливают энергию солнечного света и осуществляют фотосинтез (см. ФОТОСИНТЕЗ), т. е. превращают солнечную энергию в энергию химических связей органических соединений. Содержится и в фотосинтезирующих организмах других видов - водорослях и бактериях. С точки зрения химического строения хлорофилл неоднороден. Существуют различные типы хлорофиллов. Основой химического строения всех хлорофиллов является сложное циклическое соединение - порфирин, содержащий центральный атом Mg и многоатомный гидрофобный спиртовый остаток.
* * *
ХЛОРОФИ́ЛЛ, (от греческого chloros - зеленый и phyllon - лист), зеленый пигмент растений, с помощью которого они улавливают энергию солнечного света и осуществляют фотосинтез. В высших растениях и водорослях хлорофилл локализован в особых клеточных структурах - хлоропластaх (см. ХЛОРОПЛАСТЫ) и связан с белками (см. БЕЛКИ (органические соединения)) и липидами (см. ЛИПИДЫ) этих структур. Хлоропласты высших растений и зеленых водорослей содержат два типа хлорофиллов, близких по структуре молекул, - хлорофиллы a и b.
Другие фотосинтезирующие водоросли и фотосинтезирующие бактерии имеют иной набор пигментов. Например, бурые и диатомовые водоросли, криптомонады и динофлагелляты содержат хлорофиллы a и c, красные водоросли - хлорофиллы а и d. Следует отметить, что реальность существования хлорофилла d в красных водорослях оспаривается некоторыми исследователями, которые полагают, что он является продуктом деградации хлорофилла а. В настоящее время достоверно установлено, что хлорофилл d - основной пигмент некоторых фотосинтезирующих прокариотов (см. ПРОКАРИОТЫ). Среди прокариотов цианобактерии (сине-зеленые водоросли (см. СИНЕЗЕЛЕНЫЕ ВОДОРОСЛИ)) содержат только хлорофилл a, прохлорофитные бактерии - хлорофиллы a, b или c. Другие бактерии содержат аналоги хлорофилла - бактериохлорофиллы, которые локализованы в хлоросомах и хроматофорах. Известны бактериохлорофиллы а, b, c, d, e и g. Основу молекулы всех хлорофиллов составляет магниевый комплекс порфиринового макроцикла (см. Порфирины (см. ПОРФИРИНЫ)), к которому присоединен высокомолекулярный спирт, обладающий гидрофобными свойствами, который придает хлорофиллам способность встраиваться в липидный слой фотосинтетических мембран. Главная роль в улавливании и трансформации солнечной энергии в биосфере принадлежит хлорофиллу a.
Физико-химические свойства
Mолекулярный вес хлорофилла a 893,52. В изолированном состоянии хлорофилл образует черно-голубые микрокристаллы, которые плавятся с образованием жидкости при 117-120°С. Хлорофилл а легко растворяется в диэтиловом эфире, этаноле, ацетоне, хлороформе, бензоле, пиридине. Растворы хлорофилла а имеют сине-зеленую окраску и обладают сильной красной флуоресценцией. Главные максимумы спектра поглощения разбавленных растворов хлорофилла а в диэтиловом эфире - 429 и 660 нм. По химической струкутре хлорофилл а относится к хлоринам (дигидропорфиринам), так как одно из его пиррольных колец (кольцо IV) гидрировано по С17-С18 связи. В IV пиррольном кольце к остатку пропионовой кислоты присоединен высокомолекулярный спирт фитол. Некоторые растения, вместо или наряду с хлорофиллом a, синтезируют его аналог, в котором этильная группа (-CH2-CH3) во II пиррольном кольце замещена винильной группой (-CH=CH2). Молекула такого хлорофилла имеет две винильных группы, одну в кольце I, другую - в кольце II.
Хлорофилл b отличается от хлорофилла a тем, что боковым заместителем у углеродного атома C3 во II пиррольном кольце вместо метильной является альдегидная группа -Н-С=О. В молекуле хлорофилла с пиррольные кольца не гидрированы, т. е. этот пигмент является классическим порфирином. Хлорофилл d и бактериохлорофидды c, d, e и g также относятся к группе хлоринов, а бактериохлорофиллы а и b-группе бактериохлоринов (тетрагидропорфиринам), так как в их молекулах II и IV пиррольные кольца гидрированы по С7-С8 и С17-С18 связям. Указанные хлорофиллы различаются также структурой боковых заместителей и высокоатомного спирта, присоединенного к тетрапиррольному макроциклу.
По химической структуре хлорофиллы родственны природным комплексам порфиринов (см. ПОРФИРИНЫ), содержащим железо цитохромам (см. ЦИТОХРОМЫ), красящему веществу крови - гему (см. ГЕМ), а также простетическим группам некоторых ферментов - пероксидаз (см. ПЕРОКСИДАЗЫ) и каталазы (см. КАТАЛАЗА).
Исторический очерк
Возможность экстракции зеленых пигментов листьев спиртом была известна уже французскому ученому Ж. Сенебье в 1782-1800 гг. В 1817 г. французские химики П. Пельтье и Ж. Кованту назвали зеленый спиртовый раствор смеси растительных пигментов хлорофиллом. Экспериментальные доказательства того, что поглощенный хлорофиллом свет приводит к фотосинтезу, были получены в параллельных исследованиях российского ученого К. А. Тимирязева (см. ТИМИРЯЗЕВ Климент Аркадьевич) и немецкого ученого Н. Мюллера в 1872-1876 гг. Это представление стало общепринятым после работ немецкого ученого Рейнке (1884-1885 гг.). Многие исследователи пытались найти способы очистки зеленых пигментов и определения их химической структуры. В частности, российский ботаник И. П. Бородин (см. БОРОДИН Иван Парфеньевич)в 1882 описал получение производного хлорофилла - кристаллического этилхлорофиллида при действии этанола на листья. Эти исследования были подтверждены и продолжены российским исследователем Н. А. Монтеверде в 1893. Задача выделения чистых зеленых пигментов была решена в 1906-1908 гг. российским ученым М. С. Цветом (см. ЦВЕТ Михаил Семенович) с помощью разработанного им хроматографического метода. Цвет показал, что зеленый пигмент растений является смесью двух пигментов, названных позже хлорофиллами а и b.
Химическую структуру хлорофилла а выяснили немецкие ученые Р. Вильштеттер (см. ВИЛЬШТЕТТЕР Рихард Мартин), А. Штоль (1913) и Х. Фишер (см. ФИШЕР Ханс Эйген) (1940). Фишер начал работы по химическому синтезу хлорофилла, а полный синтез хлорофилла был выполнен американским химиком Р. Вудвордом в 1960.
Способность хлорофиллов in vitro к обратимому переносу электрона под действием света была экспериментально установлена в работах российского ученого А. А. Красновского (см. КРАСНОВСКИЙ Александр Абрамович) в 1948-1950 гг. и последующих работах его школы. Обратимые фотопревращения хлорофилла в фотосинтезирующих клетках были первоначально обнаружены голландскими исследователями Л. М. Н. Дейзенсом (1952) на примере бактериохлорофилла пурпурных бактерий и затем Б. Коком на хлорофилле хлоропластов (1956-1957 гг.).< /P>
Эти работы послужили основой для понимания функции хлорофилла в фотосинтетическом аппарате.
Биосинтез
Биосинтез хлорофилла осуществляется в полиферментных комплексах (так называемых центрах биосинтеза), локализованных, вероятно, в строме хлоропластов. Основной путь биосинтеза хлорофилла определяется конденсацией двух молекул 5-аминолевулиновой кислоты с образованием порфириногена - производного пиррола, который в результате ряда ферментативных превращений дает соединение, содержащее порфириновое ядро - протопорфирин IX. Из протопорфирина образуется содержащий атом магния протохлорофиллид, являющийся непосредственным предшественником хлорофилла. Путем последующих реакций восстановления и присоединения фитола из протохлорофиллида образуется хлорофилл. Стадия восстановления предшественника осуществляется у высших растений на свету, причем включает две последовательные фотохимические реакции, у низших растений - в темноте. Показано, что существуют два параллельных пути биосинтеза хлорофилла, приводящие к образованию моновинил- и дивинилхлорофиллов a.
Состояние и функция в хлоропластах
Общее содержание хлорофилла в хлоропластах обычно составляет около5% на сухую массу. Более 99% хлорофилла находится в составе светособирающих пигмент-белковых комплексов, которые выполняют функцию антенны, т. е. поглощают солнечную энергию или акцептируют ее от вспомогательных пигментов - каротиноидов или фикобилинов, а затем транспортируют к реакционным центрам (см. Фотосинтез (см. ФОТОСИНТЕЗ) ). Менее 1% хлорофилла находится в составе реакционных центров, которые осуществляют запуск цепи фотосинтетического транспорта электронов. У высших растений и водорослей существуют два типа реакционных центров, соответствующих двум фотосистемам хлоропластов (фотосистемы I и фотосистемы II). Реакционные центры ФС I содержат только хлорофилл а, реакционные центры ФС II - хлорофилл а и его безмагниевый аналог - феофитин. Хлорофиллы в и с не входят в состав реакционных центров, выполняя функцию светособирающих антенн. Спектральный анализ показывает, что состояние хлорофилла в фотосинтетическом аппарате существенно отличается от состояния изолированного хлорофилла в растворах из-за пигмент-пигментных и пигмент-белковых взаимодействий. Например, хлорофилл a образует в фотосинтетическом аппарате не менее 10 различных спектральных форм.
Поглощая квант света, изолированная молекула хлорофилла переходит в возбужденное синглетное состояние (время жизни около 5 нс) и затем дезактивируется с испусканием кванта флуоресценции (квантовый выход - 20-40%) или заселением долгоживущего (время жизни 1-3 мс) триплетного состояния (квантовый выход - 40-60%). Возбужденные светом молекулы хлорофилла способны переносить электрон от молекулы донора на молекулу акцептора. В растворах хлорофилла этот процесс происходит, главным образом, за счет активности триплетного состояния, так как время жизни и концентрация триплетных молекул в растворах значительно больше, чем синглетных. В фотосинтетическом аппарате за счет наличия организованной структуры энергия возбуждения хлорофилла антенны эффективно захватывается хлорофиллом реакционных центров. Первичными акцепторами возбуждения служат пигменты P680 в реакционных центрах ФС II и P700 - в реакционных центрах ФС I, которые, по-видимому, являются специально организованными димерами хлорофилла. Возбужденные молекулы этих димеров отдают электрон соответствующим акцепторам, включенным в структуру реакционных центров, и тем самым запускают процесс фотосинтетического транспорта электрона. Скорость захвата энергии возбуждения хлорофиллом реакционных центров и ее трансформации в энергию разделенных зарядов очень велика, и поэтому завершается за очень короткое время - 10-50 пс. Вследствие этого разделение зарядов осуществляется синглетно-возбужденными молекулами хлорофилла, а образование триплетных состояний, как значительно более медленный процесс, подавлено примерно на 2 порядка величины. Однако триплетные молекулы хлорофилла образуются в результате обратной рекомбинации разделенных зарядов в реакционных центрах при их перегрузке, т. е. при отсутствии достаточно быстрого оттока электронов из реакционных центров в электрон-транспортную цепь. Кроме хлорофилла антенны и реакционных центров, существует также свободный хлорофилл, который не включен в процессы фотосинтетического транспорта энергии и заряда и эффективно образует триплетное состояние при фотовозбуждении. Концентрация этого хлорофилла составляет несколько десятых долей процента.
В результате запускаемого хлорофиллом электронного транспорта высшие растения, водоросли, цианобактерии и прохлорофитные бактерии осуществляют фоторазложение воды с выделением в атмосферу газообразного кислорода, образование АТФ и фиксацию СО 2 с образованием углеводов. Таким образом свет, поглощенный хлорофиллом, преобразуется в потенциальную химическую энергию органических продуктов фотосинтеза и молекулярного кислорода.
Применение
Производные хлорофилла используются в медицине и ветеринарии для фотодинамической терапии рака. Эффект основан на том, что при введении этих соединений в кровь больных раком людей или животных пигменты в большей степени накапливаются в раковых опухолях, чем в окружающих тканях. При освещении в аэробных условиях пигменты передают энергию кислороду, переводя его в возбужденное синглетное состояние. Синглетный кислород, обладая высокой реакционной способностью, разрушает липидные и белковые компоненты раковых клеток, приводя к их уничтожению. Описано бактерицидное и антиоксидантное действие хлорофилла, а также применение хлорофилла для окраски мыла, масел, жиров, кремов, алкогольных и безалкогольных напитков, косметики, одеколона, духов, в качестве дезодоранта и в других целях.