Зелёный хлорофилл и фотосинтез¶

Хлорофилл — это группа природных пигментов, придающих растениям, водорослям и цианобактериям характерный зелёный цвет. По химической природе это магнийсодержащие хлорины, относящиеся к классу тетрапирролов. Хлорофилл выполняет ключевую функцию в процессе фотосинтеза: он поглощает световую энергию и преобразует её в энергию химических связей органических веществ. Именно этот пигмент обусловливает зелёную окраску листьев, стеблей и молодых побегов большинства наземных растений.

¶Химическое строение

Молекула хлорофилла состоит из порфиринового ядра (тетрапиррольной макроциклы) с центральным атомом магния, длинной фитольной цепочки и остатка метанола. Порфириновое кольцо образует сопряжённую систему двойных связей, которая обеспечивает поглощение света в видимой области спектра. Центральный атом магния удерживается координационными связями с атомами азота пиррольных колец.

Основные природные формы:

• Хлорофилл a — универсальный пигмент всех фотосинтезирующих организмов, кроме некоторых бактерий; основной участник световых реакций.
• Хлорофилл b — присутствует у высших растений и зелёных водорослей, расширяет спектр поглощаемого света.
• Хлорофиллы c, d, f — встречаются у различных групп водорослей и цианобактерий.
• Бактериохлорофиллы — пигменты фотосинтезирующих бактерий, поглощающие свет в инфракрасной области.

Различия между формами касаются заместителей в порфириновом кольце, что смещает максимумы поглощения.

¶Спектр поглощения и зелёный цвет

Хлорофилл интенсивно поглощает свет в синей (около 430–450 нм) и красной (около 640–680 нм) областях спектра. Зелёная часть спектра (500–600 нм) поглощается слабо и в значительной степени отражается и пропускается. Именно поэтому человеческий глаз воспринимает листья и траву как зелёные. Такой спектр поглощения связан со строением сопряжённой системы двойных связей в порфириновом кольце: энергия фотонов синего и красного света соответствует энергетическим переходам электронов в молекуле.

¶Роль в фотосинтезе

Фотосинтез протекает в хлоропластах — органеллах растительных клеток. Молекулы хлорофилла встроены в белковые комплексы фотосистем I и II, расположенные в мембранах тилакоидов. Процесс включает несколько этапов:

1. Поглощение света. Квант света возбуждает электрон в молекуле хлорофилла.
2. Перенос энергии. Возбуждение передаётся к реакционному центру фотосистемы.
3. Разделение зарядов. Электрон переносится по цепи переносчиков, что приводит к синтезу АТФ и НАДФ·H.
4. Фотолиз воды. В фотосистеме II молекулы воды расщепляются с выделением кислорода.
5. Тёмные реакции. За счёт АТФ и НАДФ·H в цикле Кальвина синтезируются углеводы из углекислого газа.

Суммарное уравнение фотосинтеза: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. Хлорофилл здесь выступает как посредник, преобразующий энергию солнечного света в химическую форму.

¶Биосинтез и разрушение

Синтез хлорофилла происходит в пластидах и включает более десятка ферментативных реакций, начиная от глутаминовой кислоты. Ключевой промежуточный продукт — протопорфирин IX, в который затем встраивается магний. Синтез зависит от освещения и температуры.

Осенью, при снижении температуры и сокращении светового дня, синтез хлорофилла замедляется, а существующий пигмент разрушается. При этом становятся заметны другие пигменты — каротиноиды (жёлтые и оранжевые) и антоцианы (красные и фиолетовые), что объясняет осеннюю окраску листвы.

¶Применение

Хлорофилл и его производные находят практическое применение в разных сферах:

• Пищевая промышленность. Хлорофилл и хлорофиллин меди (E141) используются как пищевые красители зелёного цвета.
• Медицина и фармакология. Препараты на основе хлорофилла применяются как ранозаживляющие и антибактериальные средства; хлорофиллин натрия используется в терапии некоторых состояний.
• Косметика. Экстракты хлорофилла входят в состав кремов, зубных паст и дезодорантов.
• Научные исследования. Хлорофилл служит модельным объектом при изучении фотосинтеза и создании искусственных фотосинтетических систем.
• Аналитика. Спектры поглощения хлорофилла применяются для оценки состояния растений, в том числе из космоса (вегетационные индексы).

¶Значение для биосферы

Хлорофилл лежит в основе глобального круговорота веществ и потока энергии в биосфере. Фотосинтез с участием хлорофилла обеспечивает накопление органического вещества и выделение кислорода, поддерживая существование подавляющего большинства живых организмов. По оценкам, ежегодно в результате фотосинтеза связывается порядка 100–200 млрд тонн углерода. Океанический фитопланктон, содержащий хлорофилл, производит значительную долю атмосферного кислорода.

¶Интересные факты

• Хлорофилл по структуре близок к гему — пигменту крови, только в центре гема находится железо, а не магний.
• Хлорофилл способен флуоресцировать: при освещении ультрафиолетом растворы светятся красным.
• Существуют организмы, не использующие хлорофилл, например некоторые археи и бактерии с другими пигментами.
• За открытие механизма фотосинтеза ряд учёных удостоен Нобелевских премий, в том числе Мелвин Калвин (1961) за описание цикла фиксации углерода.