Хлорофилл: пигмент фотосинтеза¶

Хлорофилл — зелёный пигмент, присутствующий в клетках фотосинтезирующих организмов: растений, водорослей и цианобактерий. Он обеспечивает поглощение световой энергии и её преобразование в энергию химических связей в процессе фотосинтеза. Химически хлорофилл представляет собой магнийсодержащее порфириновое соединение, близкое по структуре к гему крови, но с ионом магния в центре макроцикла вместо железа. Именно хлорофилл придаёт большинству листьев, трав и водорослей характерный зелёный цвет.

¶Химическое строение

Молекула хлорофилла построена из четырёх пиррольных колец, соединённых в порфириновый макроцикл. В центре кольца координирован ион магния. К макроциклу присоединён длинный гидрофобный углеводородный «хвост» — фитольный остаток, который удерживает молекулу в мембране и придаёт ей липофильные свойства.

Основные природные формы:

• Хлорофилл a — универсальный пигмент, присутствующий у всех фотосинтезирующих эукариот и цианобактерий; главный участник реакционного центра.
• Хлорофилл b — вспомогательный пигмент высших растений и зелёных водорослей, расширяющий спектр поглощаемого света.
• Хлорофиллы c, d, f — встречаются у различных групп водорослей и цианобактерий.
• Бактериохлорофиллы — пигменты фотосинтезирующих бактерий, поглощающие свет в ближней инфракрасной области.

Хлорофилл a и b различаются лишь одной функциональной группой: у хлорофилла a это метильная группа, у хлорофилла b — альдегидная. Это небольшое различие смещает спектр поглощения и меняет окраску пигмента.

¶Спектр поглощения

Молекула хлорофилла интенсивно поглощает свет в двух областях спектра: сине-фиолетовой (около 430–450 нм) и красной (около 640–680 нм). Зелёный участок спектра (500–560 нм) поглощается слабо и в значительной степени отражается и пропускается — поэтому листья воспринимаются человеческим глазом как зелёные.

Спектр поглощения хлорофилла b смещён относительно хлорофилла a, что позволяет растению эффективнее использовать разные участки солнечного света. Дополнительные пигменты — каротиноиды и фикобилины — расширяют диапазон улавливаемого излучения и выполняют защитную функцию.

¶Роль в фотосинтезе

Фотосинтез протекает в две стадии — световую и темновую. Хлорофилл участвует прежде всего в световой стадии.

В составе белковых комплексов фотосистем I и II молекулы хлорофилла выполняют разные задачи:

• Антенные (светособирающие) комплексы — множество молекул хлорофилла улавливают фотоны и передают энергию возбуждения к реакционному центру.
• Реакционный центр — специализированная пара молекул хлорофилла теряет электрон под действием света, запуская цепь переноса электронов.
• Перенос электронов — освобождённые электроны проходят через систему переносчиков, что приводит к синтезу АТФ и восстановлению НАДФ.

Поглощённый квант света переводит молекулу хлорофилла в возбуждённое состояние. Энергия возбуждения мигрирует по антенному комплексу к реакционному центру, где преобразуется в энергию разделённых зарядов. За счёт этого световая энергия запасается в химической форме.

¶Биосинтез и распад

Синтез хлорофилла — многоступенчатый процесс, начинающийся с глутаминовой кислоты. Ключевые этапы включают образование порфиринового кольца, включение иона магния и присоединение фитольного остатка. Синтез идёт на свету и тесно связан с формированием мембран хлоропластов.

При старении листьев, созревании плодов или осеннем листопаде хлорофилл разрушается быстрее, чем каротиноиды. В результате становятся заметны жёлтые и оранжевые пигменты, изначально присутствовавшие в листе, — это объясняет осеннюю окраску листвы.

¶Хлоропласты

У высших растений хлорофилл локализован в хлоропластах — органеллах с двойной мембраной. Внутри хлоропласта находится система тилакоидов, погружённых в строму. Молекулы хлорофилла встроены в мембраны тилакоидов в составе пигмент-белковых комплексов. Такая организация обеспечивает пространственное разделение реакций и эффективный перенос энергии.

¶Практическое значение

Хлорофилл и его производные находят применение в разных областях:

Хлорофилл используется как маркер при дистанционном зондировании растительности: по отражению света в красной и ближней инфракрасной областях оценивают состояние посевов и лесов.

¶Изучение

История исследования хлорофилла связана с развитием представлений о фотосинтезе. В XVIII–XIX веках было установлено, что зелёные растения на свету выделяют кислород и поглощают углекислый газ. В начале XX века немецкий химик Рихард Вильштеттер определил общую структуру молекулы, а в 1960 году Роберт Бёрнс Вудворд осуществил её полный химический синтез. Методами рентгеноструктурного анализа в дальнейшем была установлена пространственная организация пигмент-белковых комплексов.

Современные исследования сосредоточены на механизмах переноса энергии, устойчивости фотосинтетического аппарата к стрессу и возможностях использования принципов природного фотосинтеза в искусственных системах преобразования солнечной энергии.