叶绿素

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叶绿素(Chlorophyll)是一类与光合作用有关的最重要的光合色素,同时也是绿色植物的主要色素。叶绿素是脂溶性色素,不溶于水,可溶于丙酮、乙醇和石油醚等有机溶剂。叶绿素种类较多,主要分为叶绿素a、b、c、d、f、原叶绿素、细菌叶绿素、去镁叶绿素等8种类型。 早在1817年,法国化学家佩尔蒂埃(Pierre-JosephPelletier)与卡旺图(Joseph-BienaiméCaventou...

叶绿素 (Chlorophyll) 是一类与光合作用有关的最重要的光合色素,同时也是绿色植物的主要色素。叶绿素是脂溶性色素,不溶于水,可溶于丙酮、乙醇和石油醚等有机溶剂。叶绿素种类较多,主要分为叶绿素a、b、c、d、f、原叶绿素、细菌叶绿素、去镁叶绿素等8种类型。

发现历史

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早在1817年,法国化学家佩尔蒂埃(Pierre-Joseph Pelletier)与卡旺图(Joseph-Bienaimé Caventou)合作,首先从植物中萃取得到一种绿色色素并命名为叶绿素。1838年,瑞典化学家贝泽利乌斯(Berzelius)报道了有关叶绿素的萃取方法。1864年,英国科学家斯托克斯(George Gabriel Stokes)又发现了叶绿素并非单体,而是绿色色素的混合物。1906年,植物学家茨维特(Mikhail Semenovich Tsvet)发明了色谱法,并利用此方法分离了叶绿素a与叶绿素b。

1906年德国化学家威尔斯泰特(R.Willstätter)证明叶绿素中含有镁原子,并证明高等植物的叶绿素是两种叶绿素的混合物(叶绿素a和叶绿素b),他因此获得1915年诺贝尔化学奖。随后,德国化学家汉斯·费歇尔(H.Fischer)阐明了叶绿素a的化学结构,证实叶绿素和血红素的结构相似,核心结构均是由卟啉构成的,他也因此获得1930年诺贝尔化学奖。1960年,美国化学家伍德瓦德(R.B.Woodward)发表了叶绿素a分子的人工合成方法,他因为在叶绿素等复杂有机化合物合成方面的杰出贡献而获得1965年诺贝尔化学奖。此后,科学家在自然界中陆续发现了100余种叶绿素及其衍生物。

叶绿素

特性

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结构

叶绿素是含镁的四吡咯衍生物,由4个吡咯环和4个甲烯基(-CH=)连接成一个大环,称作卟啉环,也称为叶绿素的“头部”。镁原子居于卟啉环的中央,偏向于带正电荷,与其相连的氮原子则偏向于带负电荷,因而卟啉具有极性,可以与蛋白质结合。卟啉环上连接一个含羰基和羧基的副环(V),称为同素环,副环上的羧基以酯键和甲醇结合。以酯键与Ⅳ吡咯环侧链上的丙酸相结合的部分称叶绿醇或植醇,此部分称为叶绿素的“尾部”。叶绿醇是由4个异戊二烯单位组成的双萜,故“尾部”是亲脂的。

叶绿素

叶绿素a和叶绿素b在结构上的区别仅在于3位上的取代基不同,叶绿素a含有一个甲基,而叶绿素b则含有一个甲醛基。

理化性质

物理性质

叶绿素为绿至暗绿色的块、片或粉末,或黏稠状物质,略带异臭,叶绿素的熔点为120℃-153℃。易溶于醚、醇、丙酮、氯仿、二硫化碳和苯,难溶于冷甲醇,几乎不溶于石油醚。

化学性质

叶绿素不很稳定,光、酸、碱、氧、氧化剂等都会使其分解。酸性条件下,叶绿素分子很容易失去卟啉环中的镁成为去镁叶绿素。叶绿素溶液能进行部分类似光合作用的反应,在光下使某些化合物氧化或还原。叶绿素是叶绿酸的酯,能发生皂化反应。

叶绿素分子中的镁离子被铜、铁、钴等离子取代而成为叶绿素衍生物,这些衍生物对光、热、酸的稳定性大大提高,性质也更加为稳定。叶绿素衍生物有叶绿素铜钠盐、叶绿素镁钠盐、叶绿素钾钠盐、叶绿素铜钾钠盐、叶绿素铁钠盐、叶绿素铜钾盐、叶绿素锌钠盐等。

分类

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叶绿素是植物进行光合作用的主要色素,是一类含脂的色素家族,位于类囊体膜。叶绿素吸收大部分的红光和紫光但反射绿光,所以叶绿素呈现绿色,它在光合作用的光吸收中起核心作用。叶绿素为镁卟啉化合物,包括叶绿素a、b、c、d、f以及原叶绿素和细菌叶绿素等。叶绿素分为叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c、叶绿素d、叶绿素f、原叶绿素、细菌叶绿素和去镁叶绿素等。

叶绿素名称存在场所最大吸收光带
叶绿素a所有绿色植物中红光和蓝紫光
叶绿素b高等植物、绿藻、眼虫藻、管藻红光和蓝紫光
叶绿素c硅藻、甲藻、褐藻、鹿角藻、隐藻红光和蓝紫光
叶绿素d红藻、蓝藻红光和蓝紫光
叶绿素f细菌非可见光(红外波段)
原叶绿素黄化植物(幼苗期)近于红光和蓝紫光
细菌叶绿素各种厌氧光合细菌红光和蓝紫光

叶绿素a

叶绿素a(C55H72O5N4Mg)的分子结构由4个吡咯环通过4个甲烯基(=CH—)连接形成环状结构(即卟啉),卟啉环中央结合着1个镁原子,同时还具有1个植基(如叶绿醇)的“尾巴”——即最长的侧链。在酸性环境中,卟啉环中的镁可被H取代称为去镁叶绿素,呈褐色,当用铜或锌取代H,其颜色又变为绿色。此种色素稳定,在光下不退色,也不为酸所破坏,浸制植物标本的保存,就是利用此特性。

叶绿素

叶绿素b

叶绿素b(C55H70O6N4Mg)的分子结构和叶绿素a很相似,两者细微的不同之处在于在叶绿素b分子结构上有1个醛基,而叶绿素a相同位置上则是1个甲基,因此叶绿素b更易溶于极性溶剂。

植物的光合作用包括光系统I和光系统II,都是由两种复合体构成,即核心复合物和捕光天线复合体。其中捕光天线复合体能捕获光能并迅速传递至反应中心引起光化学反应。叶绿素b是构成捕光天线复合体的重要组成部分,它不仅具有吸收和传递红光和蓝紫光的作用,而且在调控光合机构天线的大小、维持捕光天线复合体的稳定性及对各种环境的适应等过程中都起作用。

叶绿素c

在绿色光合成细菌的绿色体中,如硅藻和褐藻,不存在叶绿素b,取而代之的是叶绿素c,叶绿素c在这些生物中是一种非常重要的吸收光的色素。叶绿素c还可细分为c1、c2和c3三个亚型,主要存在于低等藻类植物中。

叶绿素

叶绿素c分子骨架上碳原子的价电子已不为碳原子所占有,其电子轨道扩展到整个卟啉环,电子是在整个分子中运动。与叶绿素a相比,其分子结构的最大特点是不存在植基的长侧链,而头部结构与叶绿素a相同。叶绿素c1(C35H30O5N4Mg)和叶绿素c2(C35H28O5N4Mg)的区别在于:C8团的位置c2比c1多了1个双键,而c3的结构组成仍存争议。

叶绿素d

1943年首次被报道的叶绿素d(C54H70O6N4Mg)与叶绿素a在结构上相似,但Ⅰ环(C3团)上的乙烯基被醛基取代,从而其吸收峰值与叶绿素a相比向长波侧移动约30nm。其主要存在于蓝藻中,例如深海单细胞蓝藻Acaryochlorismarina以叶绿素d为主要的捕光色素,其几乎完全替代叶绿素a行使功能,能利用叶绿素a,b,c所不能利用的近红外光,即波长700-750nm的近红外光线,从而适应阴暗的生存环境。日本科学家曾在《科学》杂志上称,叶绿素d在地球海洋与湖泊中广泛存在,这种叶绿素可能是地球上碳循环的驱动力之一。他们估计,若将全球范围内叶绿素d吸收的二氧化碳换算成碳,每年可能约有10亿吨,相当于大气中平均每年二氧化碳增加量的约1/4。

叶绿素

叶绿素f

2010年华人科学家陈敏博士在西澳大利亚鲨鱼湾的一种藻青菌菌落中偶然提取到这种叶绿素,将其命名为叶绿素f。叶绿素f与叶绿素a相比其C2团的位置由醛基替代了甲基,并且C3团的位置多了1个双键。正是这个微小的化学修饰显著地改变了它的光学性质,使得叶绿素f的吸收波长大约有760nm,比叶绿素d的红外波长宽了有20nm左右。

细菌叶绿素

对于不放氧的光合细菌而言它们存在着另一类叶绿素——细菌叶绿素(C55H74MgN4O6)。细菌叶绿素分子通过自己的中心Mg和捕光蛋白上的His残基非共价的结合,通过其大环的头部及叶绿醇尾部与类胡萝卜素以疏水键结合,临近的细菌叶绿素分子之间或者细菌叶绿素和类胡萝卜素分子之间还存在微弱的氢键相互作用,这一系列相互作用力构成了稳定的空间结构。

叶绿素

细菌叶绿素的研究在20世纪90年代引起了很多科学家的兴趣,它与叶绿素相比最显著不同的是其最大吸收光谱均为700nm以上的红外光线。所有光合细菌中都会存在细菌叶绿素a,紫色光合细菌中还含有细菌叶绿素b,此外还有其他类型的细菌叶绿素存在。

原叶绿素

原叶绿素是无色的,化学式为C35H32O5N4Mg,分子量为612.96,主要吸收近红光和蓝紫光,具有较强荧光性,用蓝光照射下,积累原叶绿素拟南芥突变体会发出红色荧光。原叶绿素在黄化植物幼苗中含量较高,其与蛋白质结合,吸收光能,被还原成脱植基叶绿素a,脱植基叶绿素a是所有叶绿素合成的前体物质,呈橄榄绿色。在被子植物中,催化此步反应的原叶绿素氧化还原酶是需光性的,如果生长在黑暗环境中,植物就会逐渐褪去绿色,形成白化苗。在裸子植物、藻类和光合细菌中含有一种不依赖光的原叶绿素氧化还原酶,可以使此类生物体在黑暗环境中也能合成脱植基叶绿素a,使植物叶片呈现绿色。在高等植物中,脱植基叶绿素a第Ⅳ吡咯环上的丙酸与植醇(亦称叶绿醇)酯化,形成叶绿素a,然后再由叶绿素a演变成叶绿素b。

叶绿素

去镁叶绿素

去镁叶绿素呈褐色,植物体中去镁叶绿素含量较少,只在光系统Ⅱ的反应中心上结合着1个去镁叶绿素,参与光合作用电子传递,是第一个电子传递受体。叶绿素脱镁后吸收峰波长变长。例如,叶绿素a和叶绿素b在酸性条件下脱镁后,在90%丙酮中的红光区吸收峰波长为665nm。

叶绿素

光合作用

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在光合作用中,叶绿素只参加光合作用中光反应阶段。绝大部分叶绿素的作用是吸收及传递光能,仅极少数叶绿素a分子起转换光能的作用。它们在活体中大概都是与蛋白质结合在一起,存在于类囊体膜上。

光合作用的光吸收又叫原初反应(primaryreaction),该反应是光合作用的第一幕,它是指叶绿素分子从被光激发至引起第一个光化学反应为止的过程,包括光能的吸收、传递和转换。当光照射到叶绿素时,光量子(或光子)的粒子或量子的能量就全部交给化学基团中的电子,获得额外能量的电子便有足够的力量来克服原子核正电荷的吸引力,于是便跃迁到处于高能量水平的外层电子的轨道上,即该电子从最稳定的、最低能量的基态跃迁到不稳定、高能量的激发态,当达到高电位能级时,光能便被色素吸收。

叶绿素

叶绿素分子对光能的吸收、传递、转换及能量的消耗过程

吸收光能后的叶绿素分子受激发并回到基态的一条重要途径是把能量传递出去,最终传给反应中心叶绿素a,使之用于光合作用的光反应。这种能量的传递效率很高,类胡萝卜素所吸收的光能传给叶绿素a的效率高达90%,叶绿素b所吸收的光能传给叶绿素a的效率接近100%,藻红素和藻蓝素吸收的光能传给叶绿素a的效率分别为70%~80%和80%~90%。

在植物体内,光合反应中心至少包括光能转换的叶绿素a分子、原初电子受体和原初电子供体,才能导致电荷分离,将光能转换为电能,并且积累起来。反应中心的原初电子受体是指直接接受反应中心叶绿素a分子传来电子的物体,而反应中心的原初电子供体是指直接供给反应中心叶绿素分子电子的物体。光合作用的原初反应是连续不断地进行的,必须不断地经过一系列电子传递体的传递,从最初电子供体到最终电子受体,把得到的电子交出来,构成电子的“源”和“流”。高等植物的最初电子供体是H2O,最终电子受体为NADP。

合成与降解

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生物合成

叶绿素的生物合成是很复杂的。简单来讲,它可以分为4个阶段。第1阶段是从谷氨酸开始,经过5-氨基酮戊酸(ALA),2分子ALA合成含吡咯环的胆色素原(PBG)。第2阶段是4个PBG分子聚合成原卟啉Ⅸ(protoporphyrinⅨ)。原卟啉Ⅸ是形成叶绿素和亚铁血红素的分水岭。如果与铁结合,就生成亚铁血红素;如果导入镁原子,则形成Mg-原卟啉。后者E环环化,D环还原,就形成单乙烯基原叶绿素酯a。在光照下和NADPH存在下,原叶绿素酯氧化还原酶催化后者化合物就进入第3阶段,形成叶绿素酯a(这是叶绿素生物合成最关键的需光过程)。第4阶段是植醇尾巴与D环的丙酸酯化,就形成叶绿素a。叶绿素b是由叶绿素a演变过来的。

生物降解

叶片衰老时,叶绿素在有关酶的作用下,结构会逐渐裂解。其过程主要如下:类囊体内的叶绿素b在叶绿素b还原酶作用下生成叶绿素a;叶绿素a运输到叶绿体并在叶绿素酶作用下脱去植基生成脱植基叶绿素a,再经脱镁整合酶作用生成脱镁叶绿素a;虽除去镁离子,但仍保留卟啉大环,故仍显绿色。脱镁叶绿素a在脱镁叶绿酸a氧化酶作用下卟啉环裂解,最终成为水溶性的无色产物,由叶绿体运到附近的液泡。

稳定性影响因素

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在活体植物中,叶绿素得到了很好的保护,既可以发挥光合作用,又不会发生降解。但离体叶绿素对光照很敏感,光和氧气作用可导致叶绿素不可逆的分解。离体的叶绿素在光的作用下变为三线态,通过电子传递,产生自由基等活性氧而破坏蛋白质、碳水化合物及 DNA 等生物分子的结构,引起叶绿素分子的降解。

叶绿素酶

叶绿素酶是叶绿素降解过程中的关键酶,是一种糖蛋白。叶绿素酶是以叶绿素作为底物,催化叶绿素结构中的植醇键而水解生成脱植叶绿素。叶绿素酶的最适反应温度在60~80℃范围,实验证明,叶绿素酶在80℃以上其活性下降,100%时已完全失活。

温度

温度主要影响叶绿素降解过程中酶的活性进而影响叶绿素的降解过程。在温度很低时,叶绿素的成分变化非常慢。随着温度的升高,叶绿素分解的速率加快,当温度超过70℃时,其稳定性急速下降。

pH值

pH值是影响叶绿素稳定性的另一个重要因子,叶绿素在中性和弱酸弱碱性条件下较稳定,相关研究表明:pH值在6~11之间叶绿素的保存率高达90%。酸性过强会导致叶绿素脱镁而褪色明显,碱性过强则会加速脱酯反应使叶绿素分解,但碱性条件下叶绿素不会发生脱镁或碳环裂解反应,能保持相对稳定的色泽。

氧气

氧气在叶绿素的降解中占有重要地位,活性氧可使叶绿素四吡咯环碳环双键裂解,导致卟啉大环裂解。另一方面,氧气也会通过影响酶的活性来影响叶绿素的降解。叶绿素降解速率与氧气浓度呈正相关,氧气浓度越大,叶绿素褪色越严重。

金属离子

在酸性条件下,叶绿素分子卟啉环中的镁离子可被氢离子取代,生成黄褐色的脱镁叶绿素,脱镁叶绿素分子中的氢离子又可被其他金属离子如铜、锌、钙离子取代,而生成相应的叶绿素金属离子络合物而恢复为绿色。这种络合物对酸、光、氧、热等稳定性大大提高了,这些离子均能使叶绿素保存率提高,使叶绿素能够较长时间的保存,而且铜离子的效果优于其他金属离子。尽管叶绿素铜络合物的色泽及其稳定性比锌络合物的好,但铜离子属于重金属离子,毒害性较大,所以应该对其含量进行严格控制;而锌是人体必需的微量元素,因此,采用锌离子取代叶绿素分子中的镁离子,形成较稳定的叶绿素锌络合物,已经得到了产业化应用。

应用领域

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医药领域

叶绿素类物质除了抗氧化、抗突变等作用外,还可以预防DNA的氧化损伤作用,并通过螯合各种促氧化金属离子而抑制脂质氧化。此外,在体外研究中,人们发现叶绿素可抑制胰腺癌细胞;在动物研究中,人们发现,给高脂膳食造成的肥胖小鼠灌喂菠菜叶绿素提取物,可以减轻内毒素血症,降低多个炎症反应指标。

20世纪90年代,人们也发现叶绿素及其衍生物可以抑制多种化学致癌物的致突变作用。此后又在黄曲霉毒素污染地区的人体研究中发现,应用叶绿酸或富含叶绿素的食物进行预防干预,可以降低体内黄曲霉毒素代谢物的水平,可能有利于降低黄曲霉毒素污染带来的肝癌风险。因此,叶绿素类物质可以大幅度减少黄曲霉毒素的吸收利用率,并降低黄曲霉毒素的致癌作用。

叶绿素的健康作用不仅限于此。血红素有催化脂质氧化的作用,因此吃得过多时会促进细胞过度增殖,产生细胞毒性。如果食用含有大量叶绿素的食物,那么叶绿素就会替代血红素,保护人体不被过多的血红素危害。此外,由于叶绿素可以螯合多种金属离子,与重金属离子的结合能力尤其很强,所以它也被用于重金属污染的清除。

总体来说,叶绿素具有抗氧化、抗突变、抗炎症、抑制癌细胞、清除重金属污染、减轻黄曲霉毒素致癌效果等作用。

食品领域

叶绿素中含有大量的维生素C与无机盐,是人体生命活动中不可缺少的物质,还可以保持体液的弱碱性,有利于健康。此外,叶绿素还能轻度促进肠道蠕动,具有缓解便秘的功能。

提取与分离

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提取

叶绿素的提取方法主要有以下几种:丙酮研磨法、抽滤法、有机溶剂浸泡法、超声波提取、微波辅助提取和吸附树脂萃取法等。有机溶剂萃取法是最常用的方法。主要是利用高浓度有机溶剂将叶绿素从植物中溶出,然后通过分离和纯化步骤,最终获得叶绿素。超声波法是利用磁场强化介入,使细胞壁破碎,再用溶剂提取叶绿素a。微波法通过升温汽化胞内液体,使细胞膨胀破裂,使叶绿素自由流出,因此萃取率较高。

分离

色谱法是一种很好的分离纯化、鉴定有机化合物的重要方法,尤其是在微量分析中应用的更是广泛。果蔬中色素主要包括脂溶性的胡萝卜素、叶黄素、叶绿素和水溶性的花青素。在提取实验时,可以利用相似相溶的原理把水溶性的花青素滤掉,继而可以利用薄层色谱、柱色谱、高效液相色谱对胡萝卜素、叶黄素和叶绿素进行分离,由于这三种色素的极性依次减弱,可以适当地选择单一的有机溶剂或者不同配比的混合溶剂作为展开剂和洗脱剂,确定最佳的优化分离条件。

测定方法

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叶绿素含量的测定方法主要有紫外分光光度法、荧光分析法、活体叶绿素仪法、光声光谱法和高效液相色谱法。不过应用最为广泛的还是分光光度法。高效液相色谱(HPLC)定量检测叶绿素含量准确率较高,效果很好。

参考资料

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词条目录
  1. 发现历史
  2. 特性
  3. 结构
  4. 理化性质
  5. 物理性质
  6. 化学性质
  7. 分类
  8. 叶绿素a
  9. 叶绿素b
  10. 叶绿素c
  11. 叶绿素d
  12. 叶绿素f
  13. 细菌叶绿素
  14. 原叶绿素
  15. 去镁叶绿素
  16. 光合作用
  17. 合成与降解
  18. 生物合成
  19. 生物降解
  20. 稳定性影响因素
  21. 叶绿素酶
  22. 温度
  23. pH值
  24. 氧气
  25. 金属离子
  26. 应用领域
  27. 医药领域
  28. 食品领域
  29. 提取与分离
  30. 提取
  31. 分离
  32. 测定方法
  33. 参考资料

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