Ионы какого металла входят в состав хлорофилла

Обновлено: 04.10.2024

Почему трава, а также листья на деревьях и кустах зеленые? Виной всему хлорофилл. Можно взять прочную веревку знаний и завязать с ним крепкое знакомство.

История

Проведем небольшой экскурс в сравнительно недалекое прошлое. Жозеф Бьенеме Каванту и Пьер Жозеф Пеллетье – вот кому нужно пожать руку. Мужи науки постарались отделить зеленый пигмент из листьев разных растений. Старания увенчались успехом в 1817 году.

Пигмент наименовали хлорофилл. От греческого chloros – зеленый, и phyllon - лист. Независимо от вышесказанного, в начале 20 века Михаил Цвет и Рихард Вильштеттер пришли к выводу: оказывается, в хлорофилл входит несколько компонентов.

Засучив рукава, Вильштеттер принялся за работу. Очистка и кристаллизация выявили два компонента. Назвали их просто, альфа и бета (а и b). За труды в поле исследования данного вещества в 1915 году ему торжественно вручили премию Нобеля.

В 1940 Ханс Фишер предложил всему миру окончательную структуру хлорофилла «а». Король синтеза Роберт Бернс Вудворд и несколько ученых из Америки получили в 1960 году ненатуральный хлорофилл. Так и приоткрылась завеса тайны – появление хлорофилла.

Химические свойства

Формула хлорофилла, определенная из опытных показателей, выглядит так: C₅₅H₇₂O₅N₄Mg. В конструкцию входит органическая дикарбоновая кислота (хлорофиллин), а также спирты метиловый и фитол. Хлорофиллин – это металлорганическое соединение, имеющее прямое отношение к магнийпорфиринам и содержащее азот.

Хлорофилл значится сложным эфиром из-за того, что оставшиеся части метилового спирта CH₃OH и фитола C₂₀H₃₉OH заместили водород карбоксильных группировок.

Выше размещена структурная формула хлорофилла альфа. Разглядев ее внимательно, можно увидеть, что у бета-хлорофилла на один атом кислорода больше, но на два атома водорода меньше (группа CHO вместо CH₃). Отсюда молекулярная масса альфа-хлорофилла ниже, чем у бета.

В середине частицы интересующего нас вещества обосновался магний. Он соединяется с 4 атомами азота пиррольных формирований. Систему элементарных и сменяющихся двойных связей можно наблюдать в пиррольных связках.

Хромофорное формирование, удачно вписываемое в состав хлорофилла - это и есть N. Оно делает возможным впитывание отдельных лучей солнечного спектра и его цвет, независимо от того, что днем солнце горит, как пламя, а вечером похоже на тлеющие угли.

Перейдем к размерам. Порфириновое ядро в диаметре 10 нм, фитольный фрагмент оказался длинной в 2 нм. В ядре хлорофилл составляет 0,25 нм, меж микрочастицами пиррольных группок азота.

Хотелось бы отметить, что атом магния, который входит в состав хлорофилла, в диаметре всего 0,24 нм и практически полностью заполняет свободное место между атомами пиррольных группировок азота, что помогает ядру молекулы быть более крепким.

Можно прийти к выводу: из двух составляющих под нехитрым названием альфа и бета и состоит хлорофилл (a и b).

Хлорофилл a

Относительная масса молекулы - 893,52. Создают в отделенном пребывании микрокристаллы черного цвета с голубым отливом. При температуре 117-120 градусов Цельсия они расплавляются и перевоплощаются в жидкость.

В этаноле такие же хлороформы, в ацетоне, а еще бензолах растворяются охотно. Результаты принимают сине-зеленую окраску и имеют отличительную особенность - насыщенная красная флуоресценция. Плохо растворяются в петролейном эфире. В воде не распускаются вовсе.

Формула хлорофилла альфа: C₅₅H₇₂O₅N₄Mg. Вещество по своей химической конструкции относят к хлоринам. В кольце к пропионовой кислоте, а именно к ее остатку, прикреплен фитол.

Кое-какие растительные организмы, вместо хлорофилла a, образуют его аналог. Здесь этильную группу (-CH₂-CH₃) во II пиррольном кольце сменила винильная (-CH=CH₂). Такая молекула заключает в себе первую винильную группу в кольце один, вторую в кольце два.

Хлорофилл b

Формула хлорофилла-бета имеет следующий вид: C₅₅H₇₀O₆N₄Mg. Молекулярный вес вещества составляет 903. У атома углерода C₃ в пиррольном кольце два, обнаруживается немного спирта, лишенного водорода –H-C=O, который обладает желтым цветом. Это и есть отличие от хлорофилла a.

Смеем заметить, что в специальных постоянных частях клетки, жизненно важных для ее дальнейшего существования пластидах-хлоропластах, пребывают несколько типов хлорофиллов.

Хлорофиллы c и d

У криптомонад, динофлагеллятов, а также у бациллариофициевых и бурых водорослей найден хлорофилл с. Классический порфирин – вот чем отличается этот пигмент.

У водорослей красной окраски хлорофилл d. Некоторые сомневаются в его существовании. Полагается, что он является только продуктом вырождения хлорофилла a. На данный момент можно уверенно сказать, что хлорофилл с литерой d – это основной краситель кое-каких фотосинтезирующих прокариотов.

Свойства хлорофилла

После продолжительных исследований возникло доказательство, что в особенностях хлорофилла, пребывающего в растении и добытого из него, замечена несхожесть. Хлорофилл в растениях соединен с белком. Об этом свидетельствуют следующие наблюдения:

Спектр впитывания хлорофилла в листе другой, если сравнить его с извлеченным.
Чистым спиртом из высохших растений предмет описания достать нереально. Протекает экстракция благополучно при хорошо увлажненных листьях, либо следует долить в спирт воду. Именно она разбивает связанный с хлорофиллом белок.
Материал, вытянутый из листьев растений, быстро разрушается под влиянием кислорода, концентрированной кислоты, световых лучей.

Зато хлорофилл в растениях устойчив ко всему вышеперечисленному.

Хлоропласты

В растениях хлорофилла содержится 1% от сухого вещества. Найти можно в особых органеллах клетки – пластидах, что показывает неравномерное распределение его в растении. Пластиды клеток, окрашенные в зеленый цвет и имеющие в себе хлорофилл, имеют название хлоропласты.

Количество H₂O в хлоропластах колеблется от 58 до 75%, содержимое сухого вещества состоит из белков, липидов, хлорофилла и каротиноидов.

Функции хлорофилла

Удивительное сходство обнаружили ученые в устройстве молекул хлорофилла и гемоглобина – главного дыхательного компонента человеческой крови. Отличие состоит в том, что в клешневидном соединении посередине в пигменте растительного происхождения размещен магний, а в гемоглобине - железо.

В ходе фотосинтеза растительность планеты поглощает углекислый газ, выделяет кислород. Вот еще одна замечательная функция хлорофилла. По деятельности его можно сравнить с гемоглобином, но объем воздействия на человеческий организм несколько больше.

Хлорофилл – это растительный пигмент, чувствительный к свету и покрытый зеленым цветом. Далее идет фотосинтез, при котором его микрочастицы преобразовывают энергию солнца, поглощаемую клетками растений, в химическую энергию.

Можно прийти к следующим умозаключениям, что фотосинтез – это процесс преобразования энергии солнца. Если доверять современным сведениям, замечено, что протекание синтеза органических веществ из газа углекислого и воды с использованием световой энергии разложено на три этапа.

Этап №1

Данная фаза вершится в процессе фотохимического распада воды, при содействии хлорофилла. Отмечается выделение молекулярного кислорода.

Этап №2

Здесь наблюдается несколько окислительно-восстановительных реакций. В них берут активное содействие цитохромы и иные переносчики электронов. Реакция происходит за счет световой энергии, переносимой электронами от воды на NADPH и образующей ATP. Тут запасается световая энергия.

Этап №3

Уже образовавшиеся NADPH и ATP пускаются в ход для преобразования углекислого газа в углевод. Поглощенная энергия света участвует в реакциях 1 и 2 этапов. Реакции последнего, третьего, происходят без участия света и называются темновыми.

Фотосинтез – это единственный биологический процесс, проходящий с возрастанием свободной энергии. Прямо или косвенно обеспечивает доступной химической предприимчивостью обитающих на земле двуногих, крылатых, бескрылых, четвероногих и прочие организмы.

Гемоглобин и хлорофилл

Молекулы гемоглобина и хлорофилла имеют сложную, но в то же время схожую атомарную структуру. Общим в их строении является профин – кольцо из маленьких колечек. Различие замечено в отросточках, присоединённых к профину, и в атомах, расположенных внутри: атом железа (Fe) у гемоглобина, у хлорофилла магний (Mg).

Хлорофилл и гемоглобин по строению похожи, но формируют разные белковые структуры. Вокруг атома магния сформирован хлорофилл, вокруг железа - гемоглобин. Если взять молекулу жидкого хлорофилла и отсоединить фитольный хвост (20 углеродную цепь), поменять атом магния на железо, то зеленый цвет пигмента станет красным. В итоге - готовая молекула гемоглобина.

Усваивается хлорофилл легко и быстро, благодаря именно такому сходству. Хорошо поддерживает организм при кислородном голодании. Насыщает кровь нужными микроэлементами, отсюда она лучше транспортирует важнейшие для жизни вещества к клеткам. Происходит своевременный выброс отработанных материалов, токсинов, отходов, возникающих в результате естественного обмена веществ. Имеет воздействие на спящие лейкоциты, пробуждая их.

Описываемый герой без страха и упрека защищает, укрепляет мембраны клетки, помогает восстановиться соединительной ткани. К заслугам хлорофилла можно отнести быстрое заживление язв, разных ран и эрозий. Улучшает иммунную работу, выделена способность купировать патологические нарушения молекул ДНК.

Положительная тенденция при лечении инфекционных и простудных заболеваний. Это не весь список добрых дел рассмотренного вещества.

Хлорофилл

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.

Содержание

1 История открытия
2 В природе
3 Синтез
4 Свойства и функция при фотосинтезе
5 Химическая структура
6 Применение

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 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 осуществлен в 1960 Робертом Вудвордом, а в 1967 была окончательно установлена его стереохимическая структура.

В природе

Хлорофилл присутствует во всех фотосинтезирующих организмах — высших растениях, водорослях, сине-зелёных водорослях (цианобактериях), фотоавтотрофных простейших (протистах) и бактериях.

Некоторые высшие растения, наоборот, лишены хлорофилла (как, например, петров крест).

Синтез

Синтезирован Робертом Вудвордом в 1960 году.

Синтез включает в себя 15 реакций, которые можно разделить на 3 этапа. Исходными веществами для синтеза хлорофилла являются глицин и ацетат. На первом этапе образуется аминолевулиновая кислота. На втором этапе происходит синтез одной молекулы протопорфирина из четырёх пиррольных колец. Третий этап представляет собой образование и превращение магнийпорфиринов.

Свойства и функция при фотосинтезе

В процессе фотосинтеза молекула хлорофилла претерпевает изменения, поглощая световую энергию, которая затем используется в фотохимической реакции взаимодействия углекислого газа и воды с образованием органических веществ (как правило, углеводов):

После передачи поглощенной энергии молекула хлорофилла возвращается в исходное состояние.

Хотя максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зелёной» области 550 нм (где находится и максимум чувствительности глаза), поглощается хлорофиллом преимущественно синий, частично — красный свет из солнечного спектра (чем и обуславливается зелёный цвет отражённого света).

Растения могут использовать и свет с теми длинами волн, которые слабо поглощаются хлорофиллом. Энергию фотонов при этом улавливают другие фотосинтетические пигменты, которые затем передают энергию хлорофиллу. Этим объясняется разнообразие окраски растений (и других фотосинтезирующих организмов) и её зависимость от спектрального состава падающего света.

Химическая структура

Хлорофиллы можно рассматривать как производные протопорфирина — порфирина с двумя карбоксильными заместителями (свободными или этерифицированными). Так, хлорофилл a имеет карбоксиметиловую группу при C₁₀, фитоловый эфир пропионовой кислоты — при С₇. Удаление магния, легко достигаемое мягкой кислотной обработкой, дает продукт, известный как феофитин. Гидролиз фитоловой эфирной связи хлорофилла приводит к образованию хлорофиллида (хлорофиллид, лишенный 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 Ca 2+ к органическому растворителю способствует кристаллизации.

Хлорофилл a это особая форма хлорофилла, используемая для оксигенного фотосинтеза. Он поглощает максимальное количество энергии из фиолетово-голубой и оранжево-красной части спектра. [1] Этот пигмент жизненно необходим для фотосинтеза в клетках эукариот, цианобактерий и прохлорофитов из-за своей способности отдавать возбуждённые электроны в электрон-транспортную цепь. [2] Хлорофилл a также является частью антенного комплекса и передаёт резонансную энергию, которая затем поступает в реакционный центр, где расположены специальные хлорофиллы P680 и P700. [3]

Распространённость хлорофилла a

Хлорофилл a необходим большинству фотосинтезирующих организмов, для преобразования энергии света в химическую энергию, но это не единственный пигмент, который может быть использован для фотосинтеза. Все организмы с огсигенным типом фотосинтеза используют хлорофилл a, но имеют разные вспомогательные пигменты, как, например хлорофилл b. [2] В небольших количествах можно обнаружить хлорофилл a у зелёных серобактерий, — анаэробных фотоавтотрофов. [4] Эти организмы используют бактериохлорофиллы и некоторое количество хлорофилл a, но не производят кислород. [4] В отношении таких процессов употребляется термин аноксигенный фотосинтез.

Структура молекулярного центра хлорофиллаa. Зелёной рамкой выделена позиция у третьего атома углерода, где располагается важная для его свойств метильная группа.

Структура молекулы

Молекула хлорофилла состоит из кольца хлорина с Mg в центре, радикалов-заместителей в кольце, и фитольного хвоста.

Кольцо хлорина

Хлорофилл a состоит из центрального иона магния, заключённого в кольцо из четырёх ионов азота, также известного, как хлорин. Хлориновое кольцо это гетероциклическое соединение, образованное из пирролов, окружающих атом металла. Именно Mg в центре однозначно отличает структуру молекулы хлорофилла от других молекул. [5]

Заместители

В кольце хлорофилла a есть заместители. Каждый тип хлорофиллов характеризуется своими заместителями, и, соответственно, своим спектром поглощения. [6] В качесте заместителей хлорофилл a содержит только метельные группы (CH₃). В хлорофилле b метильная группа у третьего атома кольца (зелёная рамочка на картинке) замещена на альдегидную группу. [4] Порфириновое кольцо бактериохлорофиллов более насыщено — в нём не хватает чередования одинарной и двойной связи, что уменьшает спектр поглощаемого молекулами света. [7]

Фитольный хвост

К порфириновому кольцу присоединён длинный фитольный хвост. [2] Это длинный гидрофобный радикал, который прикрепляет хлорофилл a к гидрофобным белкам мембраны тилакоида. [2] Отсоединившись от порфиринового кольца, этот длинный гидрофобный хвост становится предшественником двух биомаркёров — пристана и фитана, оба из которых важны для геохимических исследований и определения качества нефти.

Биосинтез

В боиситнтезе хлорофилл a используется множество различных ферментов . [8] Любопытно заметить, что биосинтез бактериохлорофиллаa и хлорофилла a осуществляют схожие ферменты, которые, при некоторых условиях, могут взаимозаменять друг друга. [8] Всё начинается с глутаминовой кислоты, которая превращается в 5-аминолевулиновая кислота. Затем, две молекулы этой кислоты восстанавливаются до порфобилиногена, четыре молекулы которого формируют протопорфирин IX. [5] После формирования протопорфирина, фермент Mg-хелатаза катализирует включение иона Mg в структуру хлорофилла a . [8] Далее, происходит циклизация радикала в шестом положении кольца и образуется протохлорофиллид, у которого в ходе светозависимой реакции с участием фермента протохлорофиллид оксидоредуктаза происходит восстановление двойной связи в цикле D. [5] Завершается биосинтез хлорофилла присоединением фитольного хвоста. [9]

Реакции фотосинтеза

Поглощение света

Это спектры поглощения Хлорофилла a Хлорофиллаb. Совместное использование обоих форм увеличивает спектр поглощения энергии света.

Спектр Света
Хлорофилл a поглощает свет в фиолетовой, голубой и красной частях спектра, отражая в основном зелёный цвет, что и придаёт ему характерную окраску. Спектр его поглощения расширяется за счёт вспомогательных пигментов [2] (например, совместное использование хлорофилла b вместе с хлорофиллом a). В условиях плохой освещённости, растения повышают соотношение хлорофилл b/хлорофилл a, синтезируя больше молекул первого чем второго, и, таким образом, увеличивают производительность фотосинтеза. [6]

Светособирающая система

Антенный комплекс, передающий энергию света через мембрану тилакоида. Хлорофилл a в реакционном центре пигмент способный передавать возбуждённые электроны переносчикам электронов.

Кванты света, поглощённые пигментами, возбуждают их электроны, в результате чего энергия света преобразуется в энергию химической связи. Поскольку молекулы хлорофилла a могут поглощать только световые волны определённые длины, многие организмы используют вспомогательные пигменты (помечены на рисунке жёлтым цветом), что бы увеличить спектр поглощения. [3] Вспомогательные пигменты передают собранную энергию от одного пигмента к другому в виде резонансной энергии, до тех пор, пока она не достигнет специальной пары молекул хлорофилла a в реакционном центре [6] — P680 в фотосистеме II и P700 в фотосистеме I. [10] P680 и P700 основные доноры электронов для электрон-транспортной цепи.

Хлорофи́лл (от греч. χλωρός , «зелёный» и φύλλον , «лист») — зелёный пигмент, обусловливающий окраску хлоропластов растений в зелёный цвет. При его участии осуществляется процесс фотосинтеза. По химическому строению хлорофиллы — магниевые комплексы различных тетрапирролов. Хлорофиллы имеют порфириновое строение и структурно близки гему.

Синтез

Свойства и функция при фотосинтезе

Растения могут использовать и свет с теми длинами волн, которые слабо поглощаются хлорофиллом. Энергию фотонов при этом улавливают другие фитосинтетические пигменты, которые затем передают энергию хлорофиллу. Этим объясняется разнообразие окраски растений (и других фотосинтезирующих организмов) и её зависимость от спектрального состава падающего света [1] .

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, дает продукт, известный как феофитин. Гидролиз фитоловой эфирной связи хлорофилла приводит к образованию хлорофиллида (хлорофиллид, лишенный 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 объема эфирного раствора пигмента экстрагируется 2 /₃ общего количества пигмента. «Фазовый тест» — окрашивание зоны раздела фаз — проводят, подслаивая под эфирный раствор хлорофилла равный объем 30%-ного раствора KOH в MeOH. В интерфазе должно образовываться окрашенное кольцо. С помощью тонкослойной хроматографии можно быстро определять хлорофиллы в сырых экстрактах.

Читайте также: