Хлорофилл

Структура хлорофилла c1 и c2

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.

Хлорофилл зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е140.

Синтез

Синтезирован Робертом Вудвордом в 1960 году.

История открытия

В 1915 году доктору Рихарду Вильштаттеру была вручена Нобелевская премия за открытие такого химического соединения, как хлорофилл: сети атомов углерода, водорода, азота и кислорода, окружающих атом магния. Пятнадцать лет спустя, в 1930-м, Нобелевскую премию получил Доктор Ханс Фишер, открывший химическую структуру гемоглобина - основного дыхательного пигмента крови человека, и к своему удивлению обнаруживший, что она практически идентична хлорофиллу .

Гемоглобин (состоящий из гема и глобина) представляет собой пигмент, окрашивающий клетки крови в красный цвет, точно так же, как хлорофилл делает растения зелёными. Единственное отличие заключается в том, что в центре хелатного комплекса в хлорофилле находится атом магния, а в гемоглобине - железо. Поэтому хлорофилл способен оказывать на кровь воздействие сходное с действием гемоглобина: повышать уровень кислорода, ускорять азотистый обмен.

В природе

Листва деревьев

Цвет листвы фотосинтезирующих растений обусловлен высокой концентрацией хлорофилла

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).

Свойства и функция при фотосинтезе

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 фитосинтетические 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 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.

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.

	Хлорофилл a	Хлорофилл b	Хлорофилл c1	Хлорофилл c2	Хлорофилл d	Хлорофилл f
Формула	C55H72O5N4Mg	C55H70O6N4Mg	C35H30O5N4Mg	C35H28O5N4Mg	C54H70O6N4Mg	C55H70O6N4Mg
C2 группа	-CH3	-CH3	-CH3	-CH3	-CH3	-CHO
C3 группа	-CH=CH2	-CH=CH2	-CH=CH2	-CH=CH2	-CHO	-CH=CH2
C7 группа	-CH3	-CHO	-CH3	-CH3	-CH3	-CH3
C8 группа	-CH2CH3	-CH2CH3	-CH2CH3	-CH=CH2	-CH2CH3	-CH2CH3
C17 группа	-CH2CH2COO-Phytyl	-CH2CH2COO-Phytyl	-CH=CHCOOH	-CH=CHCOOH	-CH2CH2COO-Phytyl	-CH2CH2COO-Phytyl
C17-C18 связь	Одинарная	Одинарная	Двойная	Двойная	Одинарная	Одинарная
Распространение	Везде	Большинство наземных растений	Некоторые водоросли	Некоторые водоросли	Цианобактерии	Цианобактерии

• 

  Общая структура хлорофилла a, b и d

• 

  Оптический спектр поглощения хлорофиллов α (зелёный) и b (красный)

Применение

Хлорофилл находит применение как пищевая добавка (Регистрационный номер в европейском реестре E140), однако при хранении в этанольном растворе, особенно в кислой среде, неустойчив, приобретает грязно-коричнево-зеленый оттенок, и не может использоваться как натуральный краситель. Нерастворимость нативного хлорофилла в воде также ограничивает его применение в качестве натурального пищевого красителя. Но хлорофилл вполне успешно используется в качестве натуральной замены синтетических красителей при изготовлении кондитерских изделий.

Производное хлорофилла — хлофиллин медный комплекс (тринатриевая соль) получил распространение в качестве пищевого красителя (Регистрационный номер в европейском реестре E141). В отличие от нативного хлорофилла, медный комплекс устойчив в кислой среде, сохраняет изумрудно-зеленый цвет при длительном хранении и растворим в воде и водно-спиртовых растворах. Американская (USP) и Европейская (EP) фармакопеи относят хлорофиллид меди к пищевым красителям, однако вводят лимит на концентрацию свободной и связанной меди (тяжелый металл).

• 

  Хлорофилл придаёт листьям зелёный цвет и поглощает свет при фотосинтезе.

• 

  В клетках эукариотов хлорофилл обычно находится в хлоропластах.

• 

  фотография со спутника SeaWiFS - распределения хлорофилла по поверхности мирового океана в период с 1998 по 2006.

Ссылки

• Монтеверде Н. А., Любименко В. Н. Исследования над образованием хлорофилла у растений // Известия Императорской Академии наук. VII серия. — СПБ., 1913. — Т. VII. — № 17. — С. 1007–1028.
• Speer, Brian R. (1997). «Photosynthetic Pigments» на сайте UCMP Glossary (online). University of California, Berkeley Museum of Paleontology. Verified availability August 4, 2005.  (англ.)
• Chlorophyll d: the puzzle resolved  (англ.)

U.s.Pharmacopeia (USP 26, NF21, p421)

Виды тетрапирролов Биланы (Линейные) Билирубин · Биливердин · Стеркобилиноген · Стеркобилин · Уробилиноген · Уробилин Фитобилины Фитохромобилин Фикобилины Фикоэритробилин · Фикоцианобилин · Фикоуробилин · Фиковиолобилин Макроциклы Корриноиды Метилкобаламин · Аденозилкобаламин · Цианокобаламин · Гидроксокобаламин Порфирины Протопорфирины Протопорфирин IX · Гем (b, c, a, o) · Цинк-протопорфирин · Магний-протопорфирин Фитопорфирины Хлорофилл c1 · Хлорофилл c2 · Протохлорофиллид Редуцированные порфирины Порфириногены Уропорфириноген (I, III) · Копропорфириноген (I, III)  · Протопорфириноген IX Хлорины Хлорофиллид (a, b) · Хлорофилл (a, b, d, f) · Феофитин (a,b) · Бактериохлорофилл c · Феофорбид Бактериохлорины Бактериохлорофилл a Изобактериохлорины Сирогем · Сирогидрохлорин Корфины Кофактор F430