Хлорофилл: функции и источники в природе¶

Хлорофилл — это зелёный пигмент, содержащийся в клетках фотосинтезирующих организмов: растений, водорослей и цианобактерий. Именно он придаёт листьям и стеблям характерный зелёный цвет и обеспечивает поглощение световой энергии, которая затем преобразуется в химическую энергию органических соединений. Хлорофилл относится к классу магний-содержащих порфиринов и является ключевым компонентом фотосинтетического аппарата.

¶Химическое строение

Молекула хлорофилла построена на основе порфиринового кольца — плоской структуры из четырёх пиррольных циклов, соединённых метиновыми мостиками. В центре кольца расположен ион магния, связанный с четырьмя атомами азота. Такая структура близка к гему — железосодержащему компоненту гемоглобина, что объясняет родство этих молекул.

Существует несколько типов хлорофилла:

Хлорофилл a присутствует у всех организмов, осуществляющих оксигенный фотосинтез, тогда как остальные типы выполняют вспомогательную роль, расширяя диапазон улавливаемого света.

¶От чего зависит содержание хлорофилла

Количество и состояние хлорофилла в тканях определяется рядом факторов.

Освещённость. Свет — необходимое условие синтеза пигмента. В темноте хлорофилл не образуется, а уже имеющийся постепенно разрушается, что приводит к пожелтению листьев (этиоляции). При избытке света возможен фотолиз пигмента, поэтому растения защищаются каротиноидами.

Спектральный состав света. Хлорофилл наиболее интенсивно поглощает синий (около 430–450 нм) и красный (около 640–680 нм) участки спектра, отражая зелёный. Поэтому красный и синий свет стимулируют его накопление, а зелёный малоэффективен.

Температура. Оптимальный диапазон для образования пигмента — примерно 20–30 °C. При низких температурах синтез замедляется, при высоких — пигмент разрушается быстрее, чем восстанавливается.

Минеральное питание. Ключевое значение имеют азот и магний, входящие в состав молекулы, а также железо, марганец и другие микроэлементы, участвующие в биосинтезе. Дефицит азота или магния вызывает хлороз — побледнение листьев.

Вода и возраст тканей. Недостаток влаги тормозит синтез. Молодые листья содержат больше хлорофилла, чем стареющие, у которых пигмент постепенно распадается.

Загрязнение среды. Избыток солей тяжёлых металлов, кислотные осадки и другие стрессовые факторы угнетают образование хлорофилла.

¶Функции

Главная функция хлорофилла — поглощение квантов света и передача энергии в реакционные центры фотосистем. В ходе световой фазы фотосинтеза энергия возбуждённых электронов используется для синтеза АТФ и НАДФ·H, которые затем задействуются в фиксации углекислого газа. Побочно хлорофилл участвует в поглощении части ультрафиолета и защите клеточных структур.

¶Методы определения

Содержание хлорофилла измеряют спектрофотометрически: пигменты экстрагируют спиртом, ацетоном или другими растворителями и определяют оптическую плотность раствора на характерных длинах волн. Расчёт ведут по формулам, учитывающим вклад разных типов пигмента. Применяются также флуориметрия и хроматография для разделения пигментов.

¶Практическое значение

Хлорофилл широко используется как пищевая добавка (E140), натуральный краситель и компонент косметических средств. В медицине изучаются его антибактериальные и ранозаживляющие свойства. В экологии содержание хлорофилла служит индикатором состояния водоёмов: по концентрации пигмента в воде судят об интенсивности цветения и уровне эвтрофикации. В сельском хозяйстве показатель применяют для оценки обеспеченности растений питанием и диагностики стрессов.

¶Интересные факты

• Магний в центре молекулы можно заменить другими металлами; при замещении на медь получают ярко-зелёный краситель, устойчивый к свету.
• Осеннее пожелтение листьев объясняется тем, что хлорофилл разрушается быстрее каротиноидов, которые становятся видимыми.
• Хлорофилл способен флуоресцировать — в красной области спектра, что используется в диагностике.