Особенности строения, физические и химические свойства хлорофиллов

Среди пигментов зеленого листа хлорофилл, по выражению Ч. Дарвина, — это, по-видимому, одно из интереснейших веществ во всем органическом мире.

Впервые зеленый пигмент был выделен из листьев растений в 1818 г. французскими учеными Ж. Пельтье и Ж. Каванту, которые назвали его хлорофиллом. Химическое изучение этого пигмента было начато в 1907 г. Р. Вильштеттером и продолжено Г. Фишером в 1929 г., который в 1940 г. предложил полную структурную формулу хлорофилла; наконец, в 1960 г. осуществлен синтез хлорофилла.

Все хлорофиллы являются магниевыми солями пиррола:

В центре молекулы хлорофилла находятся магний и четыре пиррольных кольца, соединенных друг с другом метиновыми мостиками.

Хлорофиллы являются сложными эфирами дикарбоновой хлорофиллиновой кислоты С₃₂Н₃₀ОN₄Мg(СООН)₂ с двумя спиртами — фитолом (С₂₀Н₃₉ОН) и метанолом (СН₃ОН).

Поэтому суммарную, формулу хлорофилла а — С₅₅Н₇₂О₅N₄Мg можно изобразить и так:

Таким образом, в карбоксильных группах водород замещен oстатками метилового спирта (СН₃) и фитола (С₂₀Н₃₉).

Важнейшей частью молекулы хлорофилла является центральное ядро. Оно состоит из четырех пиррольных пятичленных колец, соединенных между собой углеродными мостиками и образующих большое порфириновое ядро с атомами азота посередине, связанными с атомом магния. В молекуле хлорофилла имеется дополнительное циклопентановое кольцо, которое содержит карбонильную, а также карбоксильную группы, соединенные эфирной связью с метиловым спиртом. Наличие в порфириновом ядре конъюгированной по кругу системы десяти двойных связей и магния обусловливает характерный для хлорофилла зеленый цвет.

Хлорофилл b отличается от хлорофилла а только тем, что в его молекуле вместо метильной группы во втором пиррольном кольце содержится альдегидная группа СОН. Хлорофилл а имеет сине-зеленую окраску, а хлорофилл b — светло-зеленую. Адсорбируются они в разных слоях хроматограммы, что свидетельствует о разных химических и физических свойствах.

По современным представлениям, биосинтез хлорофилла b идет через хлорофилл а.

Спирт фитол по своей природе подобен пигменту каротину и является производным ненасыщенного углеводорода изопрена:

Остаток фитола в хлорофилле придает ему липоидные свойства, т. е. способность растворяться в жировых растворителях. Изопрен служит исходным веществом для различных терпенов, эфирных масел, фитола, каротиноидов, каучука, являющихся продуктом полимеризации его молекулы.

При настаивании зеленых листьев в этиловом спирте в клетках образуются зеленые кристаллы. Это этилхлорофиллид — продукт замещения остатка фитола С₂₀Н₃₉ в хлорофилле остатком этилового спирта C₂H₅:

Расщепление таких связей осуществляется ферментом из класса гидролаз — хлорофиллазой, способной действовать в концентрированных спиртовых растворах.

Молекула бактериохлорофилла отличается от хлорофилла тем, что вместо винильной группы (-СН=СН₂) в первом пиррольном кольце находится ацильная группа (-СО-СН₃) и гидрированы 3-й и 4-й атомы углерода (второе пиррольное кольцо).

По строению порфириновое ядро хлорофилла подобно активным группам некоторых важнейших дыхательных ферментов: пероксидазе, каталазе, цитохромоксидазе и гемину — красящему веществу крови. В состав этих ферментов и гемина крови также входят четыре пиррольных остатка, соединенных в виде порфиринового ядра, в центре которого находится железо. Сходство строения красящего вещества растений хлорофилла со строением гемина крови было впервые доказано одним из основоположников биохимии в России профессором экспериментальной медицины в Петербурге М. В. Ненцким и профессором Краковского университета Л. П. Мархлевским. В последние годы ряд исследователей обнаружили в клубеньках бобовых растений гемоглобин, в состав которого входит гемин, что свидетельствует о единстве растительного и животного мира.

Флуоресценция. Одно из важнейших свойств хлорофиллов — их ярко выраженная способность к флуоресценции, которая ючень интенсивна в растворе и угнетена в хлорофилле, содержащемся в тканях листьев, пластидах. Известно, что флуоресценция — это свойство многих тел под влиянием падающего света, в свою очередь, излучать свет; при этом длина волны излучаемого света обычно больше длины волны возбуждающего света.

Если смотреть на раствор хлорофилла в лучах света, проходящих через него, то он кажется изумрудно-зеленым, если же рассматривать его в лучах отраженного света, то он приобретает красную окраску — это и есть явление флуоресценции.

Свойство вещества поглощать свет зависит от его атомного строения, и в первую очередь от расположения окружающих ядро электронов. При поглощении фотона атомом или молекулой его энергия воспринимается одним из электронов, и атом или молекула переходит на уровень, более богатый энергией, — в возбужденное состояние. Возбудить атом или молекулу могут лишь фотоны определенной длины волны, поскольку процесс возбуждения молекулы имеет не непрерывный, а квантовый характер, т. е. энерги деленными порциями, или квантами. Возбуждение молекулы светом происходит менее чем за 10^-15 с. Обычно возбужденные молекулы неустойчивы: время их жизни в возбужденном состоянии составляет в среднем 10^-9-10^-8 с. Когда действие света прекращается, возбужденная молекула возвращается в начальное состояние с более низким уровнем энергии. Возвращение к основному состоянию сопровождается потерей энергии, которая была поглощена во время возбужденного состояния, она переходит в тепло или излучается в виде света. Излучение света в этом случае и называется флуоресценцией. Ослабление флуоресценции хлорофилла в живых тканях, очевидно, объясняется поглощением света флуоресценции самими пигментами.

Рис. 26. Спектры поглощения хлорофиллов и каротиноидов; на оси абсцисс — длина волны (нм), на оси ординат — коэффициент поглощения:
^{1 — хлорофилл а; 2 — хлорофилл b; 3 — каротиноиды.}

Имеются данные, свидетельствующие о том, что флуоресценция изменяется с развитием растительного организма и зависит от его физиологических свойств. Способность хлорофиллов к интенсивной флуоресценции указывает на их значительную фотохимическую активность.

Спектры поглощения пигментов. Каждое химическое вещество имеет определенный спектр поглощения, который может захватывать видимый и невидимый участки спектра.

Хлорофиллы а и b различаются спектрами поглощения: у хлорофилла b по сравнению с хлорофиллом а полоса поглощения в красной области спектра несколько смещена в сторону коротковолновых лучей, а в сине-фиолетовой области максимум поглощения смещен в сторону длинноволновых, т. е. красных, лучей (рис. 26 и табл. 7).

С помощью дифференциальной спектрофотометрии установлено, что, хлорофилл — это комплекс зеленых пигментов, компоненты которого имеют различные полосы поглощения в дальних красных и ближних инфракрасных лучах, а именно: 670, 685, 705 и 720 нм. Вероятно, в хлоропластах есть несколько форм хлорофилла, имеющих различный характер связей белков с липидами, что влияет на его оптические свойства. В толстом слое хлорофилла зеленые лучи гаснут, и он приобретает вишнево-красную окраску.

Солнечные лучи имеют разную длину волны, из них глаз человека воспринимает как свет лишь лучи с длиной волны 390-760 нм. Цвет всякого тела, в том числе хлорофилла и желтых пигментов, зависит от лучей, дополнительных к поглощенным. Следовательно, зеленый цвет хлорофилла зависит от непоглощенных зеленых лучей. Но зеленый цвет растений не является чисто-зеленым. Это смесь зеленого с красным, в чем можно убедиться, если смотреть на зеленый ландшафт через синее стекло, которое поглощает зеленые лучи и пропускает часть красных. При этом можно увидеть фантастический ландшафт с кораллово-красными лугами и лесами.

Сложную смесь пигментов можно разделить с помощью реакции Крауса, основанной на их различной растворимости в спирте и бензине, к спиртовой вытяжке хлорофилла необходимо добавить бензин, в который перейдет хлорофилл, в нижнем спиртовом слое будут содержаться ксантофиллы. Если в делительную воронку прибавить гидрат окиси калия, то он, попадая в нижний спиртовой слой, образует спиртовую щелочь, при взбалтывании жидкости произойдет омыление хлорофилла. В группах СООСН₃ и СООС₂₀Н₃₉ место остатков метилового спирта и фитола займет калий, зеленый пигмент — производное хлорофилла — перейдет в нижний слой и смешается с ксантофиллами, а в верхнем слое останется только желтый пигмент—каротин; щелочные соли хлорофилла сохраняют цвет и флуоресценцию, поскольку центральное ядро молекулы хлорофилла не нарушено. Если с помощью кислоты вытеснить магний из молекулы хлорофилла и вместо него ввести водород, то образуется продукт бурой окраски — феофитин. Зеленую окраску можно восстановить, если вместо водорода ввести металл — медь, магний, железо, цинк.

При постепенном расщеплении молекулы хлорофилла образуются порфирины, которые уже не содержат магния, но сохраняют все четыре пиррольных кольца, связанных между собой метиновыми мостиками (-СН=). Одним из близких к ядру по своему строению соединений является этиопорфирин, который можно получить из гемоглобина крови. Так устанавливается связь между двумя важнейшими пигментами органического мира — гемоглобином и хлорофиллом.