Хлорофилл
Содержание- История открытия
- Краткая характеристика хлорофилла
- Структура хлорофилла
- Типы хлорофилла
- Сравнение хлорофилла a и b
- Роль хлорофилла в процессе фотосинтеза
- Типы фотосинтеза
- Что обеспечивает хлорофилл растениям
- Химическая структура
- Использование хлорофилла
- Польза для здоровья
- Побочные эффекты хлорофилла
- Примеры хлорофилла
- Хлорофилл эволюция
Хлорофи́лл (от греч. χλωρός, «зелёный» и φύλλον, «лист») — зелёный пигмент, окрашивающий хлоропласты растений в зелёный цвет. При его участии происходит фотосинтез. По химическому строению хлорофиллы — магниевые комплексы различных тетрапирролов. Хлорофиллы имеют порфириновое строение и близки гему. Хлорофилл зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е140.
История открытия
В 1817 году Жозеф Бьенеме Каванту и Пьер Жозеф Пеллетье выделили из листьев растений зелёный пигмент, который они назвали хлорофиллом. В 1900-х годах Михаил Цвет и Рихард Вильштеттер независимо друг от друга обнаружили, что хлорофилл состоит из нескольких компонентов. Вильтштеттер очистил и кристаллизовал два компонента хлорофилла, названные им хлорофиллами а и b и установил брутто-формулу хлорофилла а. В 1915 году за исследования хлорофилла ему была вручена Нобелевская премия. В 1940 Ханс Фишер, получивший в 1930 Нобелевскую премию за открытие структуры гема, установил химическую структуру хлорофилла a. Его синтез был впервые осуществлён в 1960 Робертом Вудвордом, а в 1967 была окончательно установлена его стереохимическая структура.
Краткая характеристика хлорофилла
Основные особенности хлорофилла:
- Эмпирическая формула: C55H72MgN4O5.
- Молярная масса: 893,51 г/моль.
- Внешний вид: зеленое твердое вещество.
- Температура плавления: от 66-67 °C до 117-120 °C, до ≈152 °C (с разложением).
- Растворимость в воде: нерастворимый.
Структура хлорофилла
Центральная структура хлорофилла представляет собой кольцевую систему ароматического порфирина или хлорина (восстановленный порфирин) с изолированным атомом магния. Пятое кольцо соединено с порфирином.
«Хлорофилл a», показанный здесь, называется «универсальным» хлорофиллом, потому что он присутствует почти во всех фотосинтезирующих организмах. Он известен с 1817 года, но ученые не осознавали, что в нем содержится магний до 1906 года.
Молекула хлорофилла состоит из центрального металлического ядра, окруженного азотсодержащей структурой, в результате чего образуется порфириновое кольцо.
Все молекулы хлорофилла характеризуются наличием четырех пиррольных колец (называемых тетрапирролами) вместе с дополнительным пятым кольцом. Кроме того, к кольцевой структуре присоединен ряд боковых цепей, важной из которых является боковая цепь длинного углеводорода, называемого фитоловым кольцом.
Хлорофиллы классифицируются как хлорины, которые являются близкими родственниками порфиринов, таких как гемоглобин.
Существуют различные типы хлорофиллов, которые могут отличаться по своей химической структуре, поскольку они встречаются в разных живых организмах.
Среди всех различных типов хлорофиллов структура «хлорофилла a» является наиболее изученной.
Структурно хлорофиллы отличаются от других фотосинтетических пигментов тем, что они имеют сети чередующихся одинарных и двойных связей, которые делают их весьма эффективными в отношении фоторецепции.
Электроны в молекулах не локализованы, а остаются распределенными по всем связям, что позволяет пигменту легче поглощать свет.
Типы хлорофилла
- Хлорофилл a.
- Хлорофилл b.
- Хлорофилл c.
- Хлорофилл d.
- Хлорофилл e.
- Хлорофилл f.
- Хлорофилл a
«Хлорофилл a» является наиболее широко распространенным типом хлорофилла, который содержится во всех живых организмах, способных к кислородному фотосинтезу (производству кислорода в качестве побочного продукта).
Он содержится в небольших количествах в некоторых сернистых бактериях, осуществляющих анаэробный фотосинтез.
Пигмент поглощает большую часть длины волны, присутствующей в сине-фиолетовой и оранжево-красной части света, и отражает желто-зеленый свет, что приводит к появлению зеленого цвета таких частей.
«Хлорофилл a» обнаружен в большинстве фотосинтезирующих организмов, принадлежащих к эукариотам, цианобактериям и прохлорофитам, где они действуют как первичный донор электронов в цепи переноса электронов.
Структура «хлорофилла a» аналогична основной структуре хлорофилла с кольцом хлорина, где четыре атома азота окружают ион магния.
«Хлорофилл a» отличается от других типов хлорофилла типом боковой цепи, прикрепленной к кольцу. Он имеет электронодонорные метильные и этильные группы в положениях C-7 и C-8, что отличает его от «хлорофилла b».
Хлорофилл b
«Хлорофилл b» является вторым по распространенности хлорофиллом в кислородсодержащих фотосинтезирующих организмах.
Он отличается от «хлорофилла a» формильным замещением в положении C-7 кольца.
Он синтезируется путем окисления метильной группы, присутствующей в «хлорофилле a», до формильной группы.
Молекулярная формула «хлорофилла b» — C55H70MgN4O6, и он поглощает большую часть синего света в спектре длин волн.
«Хлорофилл b» содержится в большинстве наземных растений вокруг фотосистемы II и в адаптированных к тени хлоропластах.
Процесс биосинтеза «хлорофилла b» аналогичен процессу биосинтеза «хлорофилла a», и он происходит в присутствии фермента хлорофиллсинтазы.
Хлорофилл c
«Хлорофилл c» — это форма хлорофилла, которая действует как вспомогательный пигмент и менее широко распространена, чем предыдущие типы.
Эти пигменты содержатся в золотисто-коричневых эукариотических водорослях, морских водорослях и динофлагеллятах.
«Хлорофилл c» производит сине-зеленый цвет, поскольку он поглощает свет в диапазоне длин волн 447-520 нм. Молекулярная формула хлорофилла c составляет C35H28O5N4Mg.
Структурно «хлорофилл c» отличается от других хлорофиллов тем, что он имеет структуру порфиринового кольца без изопреноидного хвоста или редуцированного кольца D.
Хлорофилл d
«Хлорофилл d» является одной из более редких форм хлорофиллов, которые содержатся в некоторых видах красных водорослей и цианобактерий.
В основном он содержится в морских водорослях, где он действует как приспособление к водорослям и фотосинтезирующим организмам, обитающим на глубоководье, куда проникает не так много света.
«Хлорофилл d» поглощает дальние красные волны за пределами оптического диапазона и некоторые длины волн сине-зеленой области.
Структурно «хлорофилл d» аналогичен «хлорофиллу b», но отличается от «хлорофилла a» наличием формильной группы в кольце А структуры.
Молекулярная формула «хлорофилла d» — C54H70MgN4O6.
«Хлорофилл d» является важным пигментом в свободноживущих цианобактериях, которые живут в светлых условиях, получая меньше видимого света и усиленное инфракрасное излучение.
В некоторых случаях «хлорофилл d» даже заменяет хлорофилл в его роли по сбору света в реакционных центрах фотосинтеза.
Хлорофилл e
«Хлорофилл e» — редкая форма хлорофилла, которая содержится в некоторых золотистых водорослях, в основном в двух видах, Tribonema bombycinum и Vaucheria hamata.
Установлено, что «хлорофилл e» похож на бактериохлорофиллы, которые распространены в цианобактериях. Он действует как вспомогательный пигмент в различных фотосинтезирующих организмах.
О «хлорофилле e» мало что известно, поскольку он был открыт совсем недавно. Структура и молекулярная формула хлорофилла е пока неизвестны.
Хлорофилл f
«Хлорофилл f» — это новейшая форма хлорофилла, которая была обнаружена в строматолитах в 2010 году.
Точная функция «хлорофилла f» в фотосинтезе пока не ясна, но можно найти некоторые свидетельства того, что он действует как вспомогательные пигменты.
«Хлорофилл f» отличается от других хлорофиллов тем, что он может поглощать инфракрасный свет, присутствующий в красной области, по сравнению с другими хлоропластами.
Однако было замечено, что производство этих ярко-красных хлорофиллов повышает эффективность кислородного фотосинтеза.
Свет, поглощаемый хлорофиллом, возбуждает электроны, присутствующие в кольце.
Сравнение хлорофилла a и b
- Хлорофилл-a и хлорофилл-b являются хорошими фоторецепторами.
- Они имеют чередующиеся одинарные или двойные связи и делокализованные полиены, что помогает в поглощении энергии солнечного света.
- Хлорофилл-a обеспечивает пик поглощения при 430-663 нм, тогда как хлорофилл-b при 453-642 нм.
- Хлорофилл-a является наиболее важным пигментом, используемым в процессе фотосинтеза, тогда как хлорофилл-b является вторичным пигментом, поскольку он собирает энергию и передает ее хлорофиллу-a.
Зеленые растения содержат хлорофилл-a, а желто-зеленые растения содержат хлорофилл-b, который является катализатором фотосинтеза. Хлоропласт промышленного производства представляет собой темно-зеленые растворы в масле, воде или этаноле. Он также используется для отбеливания масел, мыла, окрашивания и т. д.
В растениях существуют две специфические формы хлорофилла: хлорофилл-a и хлорофилл-b. Каждая форма хлорофилла поглощает несколько разные длины волн света. Как видно на графике ниже, хлорофилл-a поглощает темно-синие и темно-красные волны.
Хлорофилл-b поглощает светло-голубую длину волны и красновато-оранжевую длину волны. Растения содержат обе формы хлорофилла, что позволяет им поглощать большинство синих и большинство красных длин волн. Большой провал в середине графика вблизи зеленых длин волн обусловлен тем, что хлорофилл отражает, а не поглощает зеленый свет.
Почему хлорофилл зеленый
Хлорофилл — это зеленый пигмент, который придает большинству растений их цвет. Причина, по которой он зеленый, заключается в том, что он поглощает другие цвета света, такие как красный и синий, поэтому в некотором смысле зеленый свет отражается, так как пигмент его не поглощает. Растения содержат другие пигменты, которые отражают разные цвета, но они часто маскируются хлорофиллом.
Роль хлорофилла в процессе фотосинтеза
Преимущества хлорофилла
Благодаря хлорофиллу возможна вся жизнь на Земле.
- Первое преимущество хлорофилла — это сахар, образующийся в результате процесса АТФ, который управляется хлорофиллом. Растения, как первичные производители, составляют основу пищевой цепочки. Все остальные организмы в пищевой цепочке полагаются на сахара, которые растения создают для поддержания жизни. В то время как высшие хищники в пищевой цепочке, возможно, никогда не съедят ни одного растения, они, безусловно, едят травоядных животных. Эти травоядные животные едят только растения, а также выращивают и наращивают мышцы, переваривая и используя питательные вещества растений. Накопление этих питательных веществ в природе было бы невозможно без хлорофилла.
- Второе преимущество, реализуемое всеми организмами, — это кислород. В то время как хлорофилл не производит кислород напрямую, хлорофилл и связанный с ним комплекс белков передают электроны молекулам (таким, как АТФ и НАДФН), которые могут удерживать энергию в связях. Потребность в электронах для управления этим процессом заставляет молекулы воды расщепляться, образуя кислород. Этот кислород выбрасывается в атмосферу. Растения, водоросли и цианобактерии производят весь кислород в атмосфере. Все остальные животные и большинство растений нуждаются в этом кислороде, чтобы выжить.
Хлорофилл — это молекула, вырабатываемая растениями, водорослями и цианобактериями, которая способствует преобразованию световой энергии в химические связи. Хлорофилл известен как пигмент или молекула, которая отражает одни длины волн света, поглощая другие. Пигменты создают разнообразные цвета в растительном и животном мире. Хлорофилл — это зеленый пигмент, который отвечает за зеленый цвет растений и водорослей.
Безусловно, наиболее важной ролью хлорофилла является фотосинтез; но он также используется в качестве зеленого красителя в пищевых продуктах, косметике, мыле и алкогольных напитках. Его эфирная боковая цепь может быть расщеплена для получения фитола, спирта, используемого в синтезе витаминов Е и К1. Его даже пробовали в качестве антидетонационной присадки к бензину.
Фотосинтез — это процесс, используемый растениями, водорослями и некоторыми бактериями для превращения солнечного света, углекислого газа (CO2) и воды в пищу (сахара) и кислород.
Типы фотосинтеза
Существует два типа фотосинтетических процессов:
- кислородный фотосинтез;
- бескислородный фотосинтез.
Они оба следуют очень похожи, но кислородный фотосинтез является наиболее распространенным и наблюдается у растений, водорослей и цианобактерий.
Во время кислородного фотосинтеза световая энергия переносит электроны из воды (H2O), поглощаемой корнями растений, в CO2 для получения углеводов. При этом переносе CO2 восстанавливается или получает электроны, а вода окисляется или теряет электроны. Кислород вырабатывается вместе с углеводами. Кислородный фотосинтез функционирует как противовес дыханию, поглощая CO2, вырабатываемый всеми дышащими организмами, и вновь вводя кислород в атмосферу.
Аноксигенный (бескислородный) фотосинтез — это процесс, при котором световая энергия преобразуется в химическую энергию без образования молекулярного кислорода в качестве побочного продукта. Этот процесс наблюдается в нескольких группах бактерий, таких как пурпурные бактерии, зеленые сернистые и несернистые бактерии, гелиобактерии и ацидобактерии. Без выработки кислорода эти бактериальные группы вырабатывают АТФ. Вода не используется в качестве начального донора электронов при бескислородном фотосинтезе.
Что обеспечивает хлорофилл растениям
Какова главная функция хлорофилла в растениях
Благодаря своей структуре хлорофилл поглощает свет в синей и красной частях видимого спектра и отражает зеленый свет (с длиной волны 500-600 нанометров) обратно в наши глаза. Поэтому растения и водоросли кажутся зелеными. Различные типы хлорофилла поглощают свет с несколько разной длиной волны, влияя на поглощающую способность растения и использование световой энергии.
В морской среде хлорофилл влияет на поглощение и отражение света водой. В воде хлорофилл содержится в одноклеточных водорослях, называемых фитопланктоном, и в сине-зеленых водорослях, которые на самом деле являются видами цианобактерий. Спутниковые фотографии теперь позволяют исследователям составлять карты районов, богатых этими организмами, и отслеживать изменения, например, из-за повышения температуры океана.
Химическая структура
Хлорофиллы можно рассматривать как производные протопорфирина — порфирина с двумя карбоксильными заместителями (свободными или этерифицированными). Так, хлорофилл a имеет карбоксиметиловую группу при С10, фитоловый эфир пропионовой кислоты — при С7. Удаление магния, легко достигаемое мягкой кислотной обработкой, даёт продукт, известный как феофитин. Гидролиз фитоловой эфирной связи хлорофилла приводит к образованию хлорофиллида (хлорофиллид, лишённый атома металла, известен как феофорбид a).
Все эти соединения интенсивно окрашены и сильно флуоресцируют, исключая те случаи, когда они растворены в органических растворителях в строго безводных условиях. Они имеют характерные спектры поглощения, пригодные для качественного и количественного определения состава пигментов. Для этой же цели часто используются также данные о растворимости этих соединений в соляной кислоте, в частности для определения наличия или отсутствия этерифицированных спиртов. Хлороводородное число определяется как концентрация HCl (%, масс./об.), при которой из равного объёма эфирного раствора пигмента экстрагируется 2/3 общего количества пигмента. «Фазовый тест» — окрашивание зоны раздела фаз — проводят, подслаивая под эфирный раствор хлорофилла равный объём 30%-го раствора KOH в MeOH. В интерфазе должно образовываться окрашенное кольцо. С помощью тонкослойной хроматографии можно быстро определять хлорофиллы в сырых экстрактах.
Хлорофиллы неустойчивы на свету; они могут окисляться до алломерных хлорофиллов на воздухе в метанольном или этанольном растворе.
Хлорофиллы образуют комплексы с белками in vivo и могут быть выделены в таком виде. В составе комплексов их спектры поглощения значительно отличаются от спектров свободных хлорофиллов в органических растворителях.
Хлорофиллы можно получить в виде кристаллов. Добавление H2O или Ca2+ к органическому растворителю способствует кристаллизации.
Использование хлорофилла
- Различные продукты, производные хлорофиллов, используются в промышленности для окрашивания.
- Данный пигмент также используется в различных фармацевтических и косметических продуктах в качестве ранозаживляющего или красящего средства.
- Хлорофилл и производные хлорофилла также могут быть использованы в качестве покрытия или защитных агентов благодаря их способности образовывать ламинарные пленки с гидрофильными или гидрофобными свойствами.
- Хлорофилл также используется в качестве хелатообразующих агентов благодаря своей сложной молекулярной структуре.
- Некоторое количество хлорофилла также добавляется в солнцезащитные кремы из-за его способности обеспечивать защиту от полихроматического излучения.
Польза для здоровья
- Известно, что хлорофиллин уменьшает воспаление кожи и предотвращает рост бактерий на кожных ранах.
- Хлорофилл также увеличивал выработку клеток крови (как эритроцитов, так и лейкоцитов), одновременно улучшая качество этих клеток.
- По результатам различных исследованиях, хлорофилл обладает антиканцерогенными свойствами, которые помогают снизить риск развития рака.
- Хлорофилл обладает способностью поглощать токсины, что помогает в детоксикации пищеварительной системы.
- Использование хлорофилла также связано с потерей веса; однако исследования на эту тему весьма ограничены.
- Хлорофилл действует как внутренний дезодорант, который помогает избавиться от неприятных запахов изо рта, пота, мочи и запахов пищи.
Побочные эффекты хлорофилла
Несмотря на то, что хлорофилл или хлорофиллин, как известно, не являются токсичными, у них есть некоторые возможные побочные эффекты.
- В некоторых случаях хлорофилл может вызвать проблемы с пищеварением у некоторых людей.
- Может возникнуть диарея вместе с зеленым, желтым или черным стулом, который можно ошибочно принять за желудочно-кишечное кровотечение.
- При местном применении на поверхности кожи может наблюдаться зуд или раздражение.
- При использовании в больших количествах жидкий хлорофилл может вызвать аллергические реакции.
Хелатирующий агент — это химическое соединение, которое вступает в реакцию с ионами металлов с образованием стабильных водорастворимых комплексов металлов. Агент изменяет химический состав металла и улучшает общую стабильность металла и вероятность его соединения с другими веществами.
Примеры хлорофилла
Растения
В растениях хлорофилл является основным фотосинтетическим пигментом. Хлоропласт содержит большое количество хлорофилловых пигментов для поглощения световой энергии. У некоторых растений вырастает побег, который весь зеленый. Примерами могут служить травы, которые содержат большое количество пигментов хлорофилла не только в листьях, но и на стеблях.
И наоборот, есть растения, которые со временем развиваются в толстые коричневатые стебли, называемые корой. Тем не менее их листья остаются зелеными и служат основным органом растения для фотосинтеза. В то время как некоторые деревья остаются «вечнозелеными», имея листья в течение всего сезона, есть также деревья, которые теряют свои листья в конце вегетационного периода. Их называют лиственными.
Лиственные деревья разрушают свои хлорофиллы, в результате чего их листья приобретают другой цвет, например желтый, фиолетовый, красный или коричневый. Они, как правило, переносят питательные вещества из листьев в стебли и корни в качестве адаптации к зиме или сухому сезону. Листья опадают. Затем, к концу зимы или сухого сезона, они снова отращивают листья, богатые хлорофиллами, чтобы собирать свет для фотосинтеза.
Водоросли
В водорослях хлорофиллы также содержатся внутри хлоропластов. Большинство водорослей способны к фотосинтезу. У некоторых видов водорослей отсутствуют пигменты, и поэтому они бесцветны и гетеротрофны. Фотосинтезирующие водоросли являются основным биологическим источником атмосферного кислорода.
Они представляют собой разнообразную группу микроскопических и макроскопических автотрофов, которые обычно процветают в различных водоемах. Хотя большинство из них являются водными, некоторые обитают в наземных местах обитания, таких как влажная почва, деревья и камни. Другие живут в лишайниках, где они образуют симбиотические отношения с определенными видами грибов.
Цианобактерии
Цианобактерии являются примерами прокариот, которые являются фотосинтезирующими из-за присутствия хлорофилла. Другие фотосинтезирующие бактерии, такие как зеленые сернистые бактерии, пурпурные бактерии, хлорофлекси и гелиобактерии, не обладают хлорофиллом, а только аналогичным фотосинтетическим пигментом, называемым бактериохлорофиллом.
Бактериохлорофилл не участвует в образовании кислорода в качестве побочного продукта фотосинтеза. Это делает хлорофилл, особенно хлорофилл-a.
Цианобактерии имеют тилакоидные мембраны, но не организованы внутри органелл. Скорее всего, тилакоиды являются образованиями плазматической мембраны цианобактериальной клетки. В отличие от растительных тилакоидов, которые организованы в стопки или диски (гранулы), цианобактериальные тилакоиды организованы в концентрические оболочки.
Тилакоиды — это крошечные отсеки, находящиеся внутри хлоропластов. Их роль состоит в том, чтобы помочь поглощать солнечный свет, для того чтобы происходил фотосинтез. Они содержат весь хлорофилл, которым обладает растение, что, в свою очередь, позволяет поглощать солнечный свет. Тилакоид является местом светозависимой части фотосинтеза, которая требует солнечного света.
Хлорофилл эволюция
Считается, что на ранней стадии существования Земли в атмосфере не было свободного кислорода. Атмосфера была восстановительной и состояла из На, СН , NHз, N2 и Н2О либо только из аммиака и метана. Химическая эволюция органического вещества началась примерно 4 млрд. лет тому назад. Возникшие гетеротрофные организмы научились использовать солнечный свет, стали независимыми и при дальнейшей эволюции не испытывали недостатка в пище. Эти свойства имеют и некоторые пурпурные бактерии, существующие в настоящее время. Они ведут себя подобно гетеротрофам и используют органические соединения, но содержат также хлорофилл, с помощью которого совершается фотосинтез.
Таким образом находясь в атмосфере, содержащей аммиак и азот, бактерии, а позже и растения, содержащие хлорофилл, должны были создать в ходе эволюции разнообразные АС, например белки, алкалоиды п др., входящие в состав растений и животных. Поскольку происхождение нефти связано в превращениями захороненного органического материала, разнообразные трансформированные АС в тех или иных количествах должны присутствовать в нефти. Их количество, состав и структура зависят от условий нефтеобразования — времени, температуры, исходного вещества, геологического окружения, деятельности бактерий, состава вод и др. Составы исходного (древнего) и современного органического материала примерно одинаковы и очень разнообразны. Поэтому кажется удивительным и до конца непонятным относительно однообразное и в целом сходное распределение АС в нефтях различного возраста и происхождения. В сущности АС могут либо быть трансформированными химическими ископаемыми, либо являться продуктом вторичных превращений азотсодержащих компонентов осажденного органического материала. Поэтому важно рассмотреть в общих чертах состав исходного органического материала и возможные пути его превращения в АС нефти.
Пигментные наборы фотосинтезирующих эубактерий позволяют им использовать весь диапазон длин волн падающей на Землю солнечной энергии. Обращает внимание большое различие в спектрах поглощения у представителей разных групп фотосинтезирующих организмов и прежде всего существенные сдвиги в максимумах поглощения хлорофиллов в красной области спектра. Несомненно экологическое значение этого явления, позволяющего избегать конкуренции за свет между разными группами фотосинтезирующих организмов. Что же касается эволюции спектров поглощения хлорофиллов, то очевидна тенденция к перемещению в более коротковолновую часть спектра с более высоким энергетическим уровнем.
Извлекать металлы из окружающей среды способны все микроорганизмы, поскольку такие металлы, как железо, маг-еий, цинк, медь, молибден и многие другие входят в состав ферментов или пигментов, подобных цитохромам или хлорофиллам. В ряде случаев металлы накапливаются микроорганизмами в значительных количествах в бактериальной клетке могут содержаться ионы калия в концентрации 0,2 М, даже если в среде калий присутствует в концентрациях 0,0001 М и ниже. В ходе эволюции у микроорганизмов сформировались системы поглощения, специфичные к определенным металлам и, способные к значительному их концентрированию. В результате метаболических реакций, протекающих у микроорганизмов, могут происходить различные превращения металлов.
Источники
- История открытия
- Краткая характеристика хлорофилла
- Структура хлорофилла
- Типы хлорофилла
- Сравнение хлорофилла a и b
- Роль хлорофилла в процессе фотосинтеза
- Типы фотосинтеза
- Что обеспечивает хлорофилл растениям
- Химическая структура
- Использование хлорофилла
- Польза для здоровья
- Побочные эффекты хлорофилла
- Примеры хлорофилла
- Хлорофилл эволюция
Хлорофи́лл (от греч. χλωρός, «зелёный» и φύλλον, «лист») — зелёный пигмент, окрашивающий хлоропласты растений в зелёный цвет. При его участии происходит фотосинтез. По химическому строению хлорофиллы — магниевые комплексы различных тетрапирролов. Хлорофиллы имеют порфириновое строение и близки гему. Хлорофилл зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е140.
История открытия
В 1817 году Жозеф Бьенеме Каванту и Пьер Жозеф Пеллетье выделили из листьев растений зелёный пигмент, который они назвали хлорофиллом. В 1900-х годах Михаил Цвет и Рихард Вильштеттер независимо друг от друга обнаружили, что хлорофилл состоит из нескольких компонентов. Вильтштеттер очистил и кристаллизовал два компонента хлорофилла, названные им хлорофиллами а и b и установил брутто-формулу хлорофилла а. В 1915 году за исследования хлорофилла ему была вручена Нобелевская премия. В 1940 Ханс Фишер, получивший в 1930 Нобелевскую премию за открытие структуры гема, установил химическую структуру хлорофилла a. Его синтез был впервые осуществлён в 1960 Робертом Вудвордом, а в 1967 была окончательно установлена его стереохимическая структура.
Краткая характеристика хлорофилла
Основные особенности хлорофилла:
- Эмпирическая формула: C55H72MgN4O5.
- Молярная масса: 893,51 г/моль.
- Внешний вид: зеленое твердое вещество.
- Температура плавления: от 66-67 °C до 117-120 °C, до ≈152 °C (с разложением).
- Растворимость в воде: нерастворимый.
Структура хлорофилла
Центральная структура хлорофилла представляет собой кольцевую систему ароматического порфирина или хлорина (восстановленный порфирин) с изолированным атомом магния. Пятое кольцо соединено с порфирином.
«Хлорофилл a», показанный здесь, называется «универсальным» хлорофиллом, потому что он присутствует почти во всех фотосинтезирующих организмах. Он известен с 1817 года, но ученые не осознавали, что в нем содержится магний до 1906 года.
Молекула хлорофилла состоит из центрального металлического ядра, окруженного азотсодержащей структурой, в результате чего образуется порфириновое кольцо.
Все молекулы хлорофилла характеризуются наличием четырех пиррольных колец (называемых тетрапирролами) вместе с дополнительным пятым кольцом. Кроме того, к кольцевой структуре присоединен ряд боковых цепей, важной из которых является боковая цепь длинного углеводорода, называемого фитоловым кольцом.
Хлорофиллы классифицируются как хлорины, которые являются близкими родственниками порфиринов, таких как гемоглобин.
Существуют различные типы хлорофиллов, которые могут отличаться по своей химической структуре, поскольку они встречаются в разных живых организмах.
Среди всех различных типов хлорофиллов структура «хлорофилла a» является наиболее изученной.
Структурно хлорофиллы отличаются от других фотосинтетических пигментов тем, что они имеют сети чередующихся одинарных и двойных связей, которые делают их весьма эффективными в отношении фоторецепции.
Электроны в молекулах не локализованы, а остаются распределенными по всем связям, что позволяет пигменту легче поглощать свет.
Типы хлорофилла
- Хлорофилл a.
- Хлорофилл b.
- Хлорофилл c.
- Хлорофилл d.
- Хлорофилл e.
- Хлорофилл f.
- Хлорофилл a
«Хлорофилл a» является наиболее широко распространенным типом хлорофилла, который содержится во всех живых организмах, способных к кислородному фотосинтезу (производству кислорода в качестве побочного продукта).
Он содержится в небольших количествах в некоторых сернистых бактериях, осуществляющих анаэробный фотосинтез.
Пигмент поглощает большую часть длины волны, присутствующей в сине-фиолетовой и оранжево-красной части света, и отражает желто-зеленый свет, что приводит к появлению зеленого цвета таких частей.
«Хлорофилл a» обнаружен в большинстве фотосинтезирующих организмов, принадлежащих к эукариотам, цианобактериям и прохлорофитам, где они действуют как первичный донор электронов в цепи переноса электронов.
Структура «хлорофилла a» аналогична основной структуре хлорофилла с кольцом хлорина, где четыре атома азота окружают ион магния.
«Хлорофилл a» отличается от других типов хлорофилла типом боковой цепи, прикрепленной к кольцу. Он имеет электронодонорные метильные и этильные группы в положениях C-7 и C-8, что отличает его от «хлорофилла b».
Хлорофилл b
«Хлорофилл b» является вторым по распространенности хлорофиллом в кислородсодержащих фотосинтезирующих организмах.
Он отличается от «хлорофилла a» формильным замещением в положении C-7 кольца.
Он синтезируется путем окисления метильной группы, присутствующей в «хлорофилле a», до формильной группы.
Молекулярная формула «хлорофилла b» — C55H70MgN4O6, и он поглощает большую часть синего света в спектре длин волн.
«Хлорофилл b» содержится в большинстве наземных растений вокруг фотосистемы II и в адаптированных к тени хлоропластах.
Процесс биосинтеза «хлорофилла b» аналогичен процессу биосинтеза «хлорофилла a», и он происходит в присутствии фермента хлорофиллсинтазы.
Хлорофилл c
«Хлорофилл c» — это форма хлорофилла, которая действует как вспомогательный пигмент и менее широко распространена, чем предыдущие типы.
Эти пигменты содержатся в золотисто-коричневых эукариотических водорослях, морских водорослях и динофлагеллятах.
«Хлорофилл c» производит сине-зеленый цвет, поскольку он поглощает свет в диапазоне длин волн 447-520 нм. Молекулярная формула хлорофилла c составляет C35H28O5N4Mg.
Структурно «хлорофилл c» отличается от других хлорофиллов тем, что он имеет структуру порфиринового кольца без изопреноидного хвоста или редуцированного кольца D.
Хлорофилл d
«Хлорофилл d» является одной из более редких форм хлорофиллов, которые содержатся в некоторых видах красных водорослей и цианобактерий.
В основном он содержится в морских водорослях, где он действует как приспособление к водорослям и фотосинтезирующим организмам, обитающим на глубоководье, куда проникает не так много света.
«Хлорофилл d» поглощает дальние красные волны за пределами оптического диапазона и некоторые длины волн сине-зеленой области.
Структурно «хлорофилл d» аналогичен «хлорофиллу b», но отличается от «хлорофилла a» наличием формильной группы в кольце А структуры.
Молекулярная формула «хлорофилла d» — C54H70MgN4O6.
«Хлорофилл d» является важным пигментом в свободноживущих цианобактериях, которые живут в светлых условиях, получая меньше видимого света и усиленное инфракрасное излучение.
В некоторых случаях «хлорофилл d» даже заменяет хлорофилл в его роли по сбору света в реакционных центрах фотосинтеза.
Хлорофилл e
«Хлорофилл e» — редкая форма хлорофилла, которая содержится в некоторых золотистых водорослях, в основном в двух видах, Tribonema bombycinum и Vaucheria hamata.
Установлено, что «хлорофилл e» похож на бактериохлорофиллы, которые распространены в цианобактериях. Он действует как вспомогательный пигмент в различных фотосинтезирующих организмах.
О «хлорофилле e» мало что известно, поскольку он был открыт совсем недавно. Структура и молекулярная формула хлорофилла е пока неизвестны.
Хлорофилл f
«Хлорофилл f» — это новейшая форма хлорофилла, которая была обнаружена в строматолитах в 2010 году.
Точная функция «хлорофилла f» в фотосинтезе пока не ясна, но можно найти некоторые свидетельства того, что он действует как вспомогательные пигменты.
«Хлорофилл f» отличается от других хлорофиллов тем, что он может поглощать инфракрасный свет, присутствующий в красной области, по сравнению с другими хлоропластами.
Однако было замечено, что производство этих ярко-красных хлорофиллов повышает эффективность кислородного фотосинтеза.
Свет, поглощаемый хлорофиллом, возбуждает электроны, присутствующие в кольце.
Сравнение хлорофилла a и b
- Хлорофилл-a и хлорофилл-b являются хорошими фоторецепторами.
- Они имеют чередующиеся одинарные или двойные связи и делокализованные полиены, что помогает в поглощении энергии солнечного света.
- Хлорофилл-a обеспечивает пик поглощения при 430-663 нм, тогда как хлорофилл-b при 453-642 нм.
- Хлорофилл-a является наиболее важным пигментом, используемым в процессе фотосинтеза, тогда как хлорофилл-b является вторичным пигментом, поскольку он собирает энергию и передает ее хлорофиллу-a.
Зеленые растения содержат хлорофилл-a, а желто-зеленые растения содержат хлорофилл-b, который является катализатором фотосинтеза. Хлоропласт промышленного производства представляет собой темно-зеленые растворы в масле, воде или этаноле. Он также используется для отбеливания масел, мыла, окрашивания и т. д.
В растениях существуют две специфические формы хлорофилла: хлорофилл-a и хлорофилл-b. Каждая форма хлорофилла поглощает несколько разные длины волн света. Как видно на графике ниже, хлорофилл-a поглощает темно-синие и темно-красные волны.
Хлорофилл-b поглощает светло-голубую длину волны и красновато-оранжевую длину волны. Растения содержат обе формы хлорофилла, что позволяет им поглощать большинство синих и большинство красных длин волн. Большой провал в середине графика вблизи зеленых длин волн обусловлен тем, что хлорофилл отражает, а не поглощает зеленый свет.
Почему хлорофилл зеленый
Хлорофилл — это зеленый пигмент, который придает большинству растений их цвет. Причина, по которой он зеленый, заключается в том, что он поглощает другие цвета света, такие как красный и синий, поэтому в некотором смысле зеленый свет отражается, так как пигмент его не поглощает. Растения содержат другие пигменты, которые отражают разные цвета, но они часто маскируются хлорофиллом.
Роль хлорофилла в процессе фотосинтеза
Преимущества хлорофилла
Благодаря хлорофиллу возможна вся жизнь на Земле.
- Первое преимущество хлорофилла — это сахар, образующийся в результате процесса АТФ, который управляется хлорофиллом. Растения, как первичные производители, составляют основу пищевой цепочки. Все остальные организмы в пищевой цепочке полагаются на сахара, которые растения создают для поддержания жизни. В то время как высшие хищники в пищевой цепочке, возможно, никогда не съедят ни одного растения, они, безусловно, едят травоядных животных. Эти травоядные животные едят только растения, а также выращивают и наращивают мышцы, переваривая и используя питательные вещества растений. Накопление этих питательных веществ в природе было бы невозможно без хлорофилла.
- Второе преимущество, реализуемое всеми организмами, — это кислород. В то время как хлорофилл не производит кислород напрямую, хлорофилл и связанный с ним комплекс белков передают электроны молекулам (таким, как АТФ и НАДФН), которые могут удерживать энергию в связях. Потребность в электронах для управления этим процессом заставляет молекулы воды расщепляться, образуя кислород. Этот кислород выбрасывается в атмосферу. Растения, водоросли и цианобактерии производят весь кислород в атмосфере. Все остальные животные и большинство растений нуждаются в этом кислороде, чтобы выжить.
Хлорофилл — это молекула, вырабатываемая растениями, водорослями и цианобактериями, которая способствует преобразованию световой энергии в химические связи. Хлорофилл известен как пигмент или молекула, которая отражает одни длины волн света, поглощая другие. Пигменты создают разнообразные цвета в растительном и животном мире. Хлорофилл — это зеленый пигмент, который отвечает за зеленый цвет растений и водорослей.
Безусловно, наиболее важной ролью хлорофилла является фотосинтез; но он также используется в качестве зеленого красителя в пищевых продуктах, косметике, мыле и алкогольных напитках. Его эфирная боковая цепь может быть расщеплена для получения фитола, спирта, используемого в синтезе витаминов Е и К1. Его даже пробовали в качестве антидетонационной присадки к бензину.
Фотосинтез — это процесс, используемый растениями, водорослями и некоторыми бактериями для превращения солнечного света, углекислого газа (CO2) и воды в пищу (сахара) и кислород.
Типы фотосинтеза
Существует два типа фотосинтетических процессов:
- кислородный фотосинтез;
- бескислородный фотосинтез.
Они оба следуют очень похожи, но кислородный фотосинтез является наиболее распространенным и наблюдается у растений, водорослей и цианобактерий.
Во время кислородного фотосинтеза световая энергия переносит электроны из воды (H2O), поглощаемой корнями растений, в CO2 для получения углеводов. При этом переносе CO2 восстанавливается или получает электроны, а вода окисляется или теряет электроны. Кислород вырабатывается вместе с углеводами. Кислородный фотосинтез функционирует как противовес дыханию, поглощая CO2, вырабатываемый всеми дышащими организмами, и вновь вводя кислород в атмосферу.
Аноксигенный (бескислородный) фотосинтез — это процесс, при котором световая энергия преобразуется в химическую энергию без образования молекулярного кислорода в качестве побочного продукта. Этот процесс наблюдается в нескольких группах бактерий, таких как пурпурные бактерии, зеленые сернистые и несернистые бактерии, гелиобактерии и ацидобактерии. Без выработки кислорода эти бактериальные группы вырабатывают АТФ. Вода не используется в качестве начального донора электронов при бескислородном фотосинтезе.
Что обеспечивает хлорофилл растениям
Какова главная функция хлорофилла в растениях
Благодаря своей структуре хлорофилл поглощает свет в синей и красной частях видимого спектра и отражает зеленый свет (с длиной волны 500-600 нанометров) обратно в наши глаза. Поэтому растения и водоросли кажутся зелеными. Различные типы хлорофилла поглощают свет с несколько разной длиной волны, влияя на поглощающую способность растения и использование световой энергии.
В морской среде хлорофилл влияет на поглощение и отражение света водой. В воде хлорофилл содержится в одноклеточных водорослях, называемых фитопланктоном, и в сине-зеленых водорослях, которые на самом деле являются видами цианобактерий. Спутниковые фотографии теперь позволяют исследователям составлять карты районов, богатых этими организмами, и отслеживать изменения, например, из-за повышения температуры океана.
Химическая структура
Хлорофиллы можно рассматривать как производные протопорфирина — порфирина с двумя карбоксильными заместителями (свободными или этерифицированными). Так, хлорофилл a имеет карбоксиметиловую группу при С10, фитоловый эфир пропионовой кислоты — при С7. Удаление магния, легко достигаемое мягкой кислотной обработкой, даёт продукт, известный как феофитин. Гидролиз фитоловой эфирной связи хлорофилла приводит к образованию хлорофиллида (хлорофиллид, лишённый атома металла, известен как феофорбид a).
Все эти соединения интенсивно окрашены и сильно флуоресцируют, исключая те случаи, когда они растворены в органических растворителях в строго безводных условиях. Они имеют характерные спектры поглощения, пригодные для качественного и количественного определения состава пигментов. Для этой же цели часто используются также данные о растворимости этих соединений в соляной кислоте, в частности для определения наличия или отсутствия этерифицированных спиртов. Хлороводородное число определяется как концентрация HCl (%, масс./об.), при которой из равного объёма эфирного раствора пигмента экстрагируется 2/3 общего количества пигмента. «Фазовый тест» — окрашивание зоны раздела фаз — проводят, подслаивая под эфирный раствор хлорофилла равный объём 30%-го раствора KOH в MeOH. В интерфазе должно образовываться окрашенное кольцо. С помощью тонкослойной хроматографии можно быстро определять хлорофиллы в сырых экстрактах.
Хлорофиллы неустойчивы на свету; они могут окисляться до алломерных хлорофиллов на воздухе в метанольном или этанольном растворе.
Хлорофиллы образуют комплексы с белками in vivo и могут быть выделены в таком виде. В составе комплексов их спектры поглощения значительно отличаются от спектров свободных хлорофиллов в органических растворителях.
Хлорофиллы можно получить в виде кристаллов. Добавление H2O или Ca2+ к органическому растворителю способствует кристаллизации.
Использование хлорофилла
- Различные продукты, производные хлорофиллов, используются в промышленности для окрашивания.
- Данный пигмент также используется в различных фармацевтических и косметических продуктах в качестве ранозаживляющего или красящего средства.
- Хлорофилл и производные хлорофилла также могут быть использованы в качестве покрытия или защитных агентов благодаря их способности образовывать ламинарные пленки с гидрофильными или гидрофобными свойствами.
- Хлорофилл также используется в качестве хелатообразующих агентов благодаря своей сложной молекулярной структуре.
- Некоторое количество хлорофилла также добавляется в солнцезащитные кремы из-за его способности обеспечивать защиту от полихроматического излучения.
Польза для здоровья
- Известно, что хлорофиллин уменьшает воспаление кожи и предотвращает рост бактерий на кожных ранах.
- Хлорофилл также увеличивал выработку клеток крови (как эритроцитов, так и лейкоцитов), одновременно улучшая качество этих клеток.
- По результатам различных исследованиях, хлорофилл обладает антиканцерогенными свойствами, которые помогают снизить риск развития рака.
- Хлорофилл обладает способностью поглощать токсины, что помогает в детоксикации пищеварительной системы.
- Использование хлорофилла также связано с потерей веса; однако исследования на эту тему весьма ограничены.
- Хлорофилл действует как внутренний дезодорант, который помогает избавиться от неприятных запахов изо рта, пота, мочи и запахов пищи.
Побочные эффекты хлорофилла
Несмотря на то, что хлорофилл или хлорофиллин, как известно, не являются токсичными, у них есть некоторые возможные побочные эффекты.
- В некоторых случаях хлорофилл может вызвать проблемы с пищеварением у некоторых людей.
- Может возникнуть диарея вместе с зеленым, желтым или черным стулом, который можно ошибочно принять за желудочно-кишечное кровотечение.
- При местном применении на поверхности кожи может наблюдаться зуд или раздражение.
- При использовании в больших количествах жидкий хлорофилл может вызвать аллергические реакции.
Хелатирующий агент — это химическое соединение, которое вступает в реакцию с ионами металлов с образованием стабильных водорастворимых комплексов металлов. Агент изменяет химический состав металла и улучшает общую стабильность металла и вероятность его соединения с другими веществами.
Примеры хлорофилла
Растения
В растениях хлорофилл является основным фотосинтетическим пигментом. Хлоропласт содержит большое количество хлорофилловых пигментов для поглощения световой энергии. У некоторых растений вырастает побег, который весь зеленый. Примерами могут служить травы, которые содержат большое количество пигментов хлорофилла не только в листьях, но и на стеблях.
И наоборот, есть растения, которые со временем развиваются в толстые коричневатые стебли, называемые корой. Тем не менее их листья остаются зелеными и служат основным органом растения для фотосинтеза. В то время как некоторые деревья остаются «вечнозелеными», имея листья в течение всего сезона, есть также деревья, которые теряют свои листья в конце вегетационного периода. Их называют лиственными.
Лиственные деревья разрушают свои хлорофиллы, в результате чего их листья приобретают другой цвет, например желтый, фиолетовый, красный или коричневый. Они, как правило, переносят питательные вещества из листьев в стебли и корни в качестве адаптации к зиме или сухому сезону. Листья опадают. Затем, к концу зимы или сухого сезона, они снова отращивают листья, богатые хлорофиллами, чтобы собирать свет для фотосинтеза.
Водоросли
В водорослях хлорофиллы также содержатся внутри хлоропластов. Большинство водорослей способны к фотосинтезу. У некоторых видов водорослей отсутствуют пигменты, и поэтому они бесцветны и гетеротрофны. Фотосинтезирующие водоросли являются основным биологическим источником атмосферного кислорода.
Они представляют собой разнообразную группу микроскопических и макроскопических автотрофов, которые обычно процветают в различных водоемах. Хотя большинство из них являются водными, некоторые обитают в наземных местах обитания, таких как влажная почва, деревья и камни. Другие живут в лишайниках, где они образуют симбиотические отношения с определенными видами грибов.
Цианобактерии
Цианобактерии являются примерами прокариот, которые являются фотосинтезирующими из-за присутствия хлорофилла. Другие фотосинтезирующие бактерии, такие как зеленые сернистые бактерии, пурпурные бактерии, хлорофлекси и гелиобактерии, не обладают хлорофиллом, а только аналогичным фотосинтетическим пигментом, называемым бактериохлорофиллом.
Бактериохлорофилл не участвует в образовании кислорода в качестве побочного продукта фотосинтеза. Это делает хлорофилл, особенно хлорофилл-a.
Цианобактерии имеют тилакоидные мембраны, но не организованы внутри органелл. Скорее всего, тилакоиды являются образованиями плазматической мембраны цианобактериальной клетки. В отличие от растительных тилакоидов, которые организованы в стопки или диски (гранулы), цианобактериальные тилакоиды организованы в концентрические оболочки.
Тилакоиды — это крошечные отсеки, находящиеся внутри хлоропластов. Их роль состоит в том, чтобы помочь поглощать солнечный свет, для того чтобы происходил фотосинтез. Они содержат весь хлорофилл, которым обладает растение, что, в свою очередь, позволяет поглощать солнечный свет. Тилакоид является местом светозависимой части фотосинтеза, которая требует солнечного света.
Хлорофилл эволюция
Считается, что на ранней стадии существования Земли в атмосфере не было свободного кислорода. Атмосфера была восстановительной и состояла из На, СН , NHз, N2 и Н2О либо только из аммиака и метана. Химическая эволюция органического вещества началась примерно 4 млрд. лет тому назад. Возникшие гетеротрофные организмы научились использовать солнечный свет, стали независимыми и при дальнейшей эволюции не испытывали недостатка в пище. Эти свойства имеют и некоторые пурпурные бактерии, существующие в настоящее время. Они ведут себя подобно гетеротрофам и используют органические соединения, но содержат также хлорофилл, с помощью которого совершается фотосинтез.
Таким образом находясь в атмосфере, содержащей аммиак и азот, бактерии, а позже и растения, содержащие хлорофилл, должны были создать в ходе эволюции разнообразные АС, например белки, алкалоиды п др., входящие в состав растений и животных. Поскольку происхождение нефти связано в превращениями захороненного органического материала, разнообразные трансформированные АС в тех или иных количествах должны присутствовать в нефти. Их количество, состав и структура зависят от условий нефтеобразования — времени, температуры, исходного вещества, геологического окружения, деятельности бактерий, состава вод и др. Составы исходного (древнего) и современного органического материала примерно одинаковы и очень разнообразны. Поэтому кажется удивительным и до конца непонятным относительно однообразное и в целом сходное распределение АС в нефтях различного возраста и происхождения. В сущности АС могут либо быть трансформированными химическими ископаемыми, либо являться продуктом вторичных превращений азотсодержащих компонентов осажденного органического материала. Поэтому важно рассмотреть в общих чертах состав исходного органического материала и возможные пути его превращения в АС нефти.
Пигментные наборы фотосинтезирующих эубактерий позволяют им использовать весь диапазон длин волн падающей на Землю солнечной энергии. Обращает внимание большое различие в спектрах поглощения у представителей разных групп фотосинтезирующих организмов и прежде всего существенные сдвиги в максимумах поглощения хлорофиллов в красной области спектра. Несомненно экологическое значение этого явления, позволяющего избегать конкуренции за свет между разными группами фотосинтезирующих организмов. Что же касается эволюции спектров поглощения хлорофиллов, то очевидна тенденция к перемещению в более коротковолновую часть спектра с более высоким энергетическим уровнем.
Извлекать металлы из окружающей среды способны все микроорганизмы, поскольку такие металлы, как железо, маг-еий, цинк, медь, молибден и многие другие входят в состав ферментов или пигментов, подобных цитохромам или хлорофиллам. В ряде случаев металлы накапливаются микроорганизмами в значительных количествах в бактериальной клетке могут содержаться ионы калия в концентрации 0,2 М, даже если в среде калий присутствует в концентрациях 0,0001 М и ниже. В ходе эволюции у микроорганизмов сформировались системы поглощения, специфичные к определенным металлам и, способные к значительному их концентрированию. В результате метаболических реакций, протекающих у микроорганизмов, могут происходить различные превращения металлов.