Хлорофи́лл (от греч.χλωρός, «зелёный» и φύλλον, «лист») — зелёный пигмент, окрашивающий хлоропластырастений в зелёный цвет. При его участии происходит фотосинтез. По химическому строению хлорофиллы — магниевыекомплексы различных тетрапирролов. Хлорофиллы имеют порфириновое строение и близки гему. Хлорофилл зарегистрирован в качестве пищевой добавкиЕ140.
История открытия
В 1817 году Жозеф Бьенеме Каванту и Пьер Жозеф Пеллетье выделили из листьев растений зелёный пигмент, который они назвали хлорофиллом[1]. В 1900-х годах Михаил Цвет[2] и Рихард Вильштеттер независимо друг от друга обнаружили, что хлорофилл состоит из нескольких компонентов. Вильтштеттер очистил и кристаллизовал два компонента хлорофилла, названные им хлорофиллами а и b и установил брутто-формулу хлорофилла а. В 1915 году за исследования хлорофилла ему была вручена Нобелевская премия. В 1940 Ханс Фишер, получивший в 1930 Нобелевскую премию за открытие структуры гема, установил химическую структуру хлорофилла a. Его синтез был впервые осуществлён в 1960 Робертом Вудвордом[3], а в 1967 была окончательно установлена его стереохимическая структура[4].
В природе
Хлорофилл присутствует во всех фотосинтезирующих организмах — высших растениях, водорослях, синезелёных водорослях (цианобактериях), фотоавтотрофныхпростейших (протистах) и бактериях.
Некоторые растения, в том числе ряд высших растений, утратили хлорофилл (как, например, петров крест).
Синтез
Синтезирован Робертом Вудвордом в 1960 году.
Синтез включает в себя 15 реакций, которые можно разделить на 3 этапа. Исходными веществами для синтеза хлорофилла являются глицин и ацетат. На первом этапе образуется аминолевулиновая кислота. На втором этапе происходит синтез одной молекулы протопорфирина из четырёх пиррольных колец. Третий этап представляет собой образование и превращение магнийпорфиринов.
Свойства и функция при фотосинтезе
В процессе фотосинтеза молекула хлорофилла претерпевает изменения, поглощая световую энергию, которая затем используется в фотохимической реакции взаимодействия углекислого газа и воды с образованием органических веществ (как правило, углеводов):
![{\displaystyle {x\,\mathrm {CO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}x\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}\mathrel {\xrightarrow {\mathrm {h\nu } } } {}(\mathrm {CH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} ){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{x}}{}+{}x\,\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/10f19e188b6704ab2bec042304945d74393d9cd9)
После передачи поглощённой энергии молекула хлорофилла возвращается в исходное состояние.
Хотя максимум непрерывного спектра солнечного излучения расположен в «зелёной» области 550 нм (где находится и максимум чувствительности глаза), поглощается хлорофиллом преимущественно синий, частично — красный свет из солнечного спектра (чем и обуславливается зелёный цвет отражённого света).
Растения могут использовать и свет с теми длинами волн, которые слабо поглощаются хлорофиллом. Энергию фотонов при этом улавливают другие фотосинтетические пигменты, которые затем передают энергию хлорофиллу. Этим объясняется разнообразие окраски растений (и других фотосинтезирующих организмов) и её зависимость от спектрального состава падающего света.
Химическая структура
Хлорофиллы можно рассматривать как производные протопорфирина — порфирина с двумя карбоксильными заместителями (свободными или этерифицированными). Так, хлорофилл a имеет карбоксиметиловую группу при С10, фитоловый эфирпропионовой кислоты — при С7. Удаление магния, легко достигаемое мягкой кислотной обработкой, даёт продукт, известный как феофитин. Гидролизфитоловойэфирной связи хлорофилла приводит к образованию хлорофиллида (хлорофиллид, лишённый атома металла, известен как феофорбид a).
Все эти соединения интенсивно окрашены и сильно флуоресцируют, исключая те случаи, когда они растворены в органических растворителях в строго безводных условиях. Они имеют характерные спектры поглощения, пригодные для качественного и количественного определения состава пигментов. Для этой же цели часто используются также данные о растворимости этих соединений в соляной кислоте, в частности для определения наличия или отсутствия этерифицированных спиртов. Хлороводородное число определяется как концентрация HCl (%, масс./об.), при которой из равного объёма эфирного раствора пигмента экстрагируется2/3 общего количества пигмента. «Фазовый тест» — окрашивание зоны раздела фаз — проводят, подслаивая под эфирный раствор хлорофилла равный объём 30%-го раствора гидроксида калия в метаноле. В интерфазе должно образовываться окрашенное кольцо. С помощью тонкослойной хроматографии можно быстро определять хлорофиллы в сырых экстрактах.
Хлорофиллы неустойчивы на свету; они могут окисляться до алломерных хлорофиллов на воздухе в метанольном или этанольном растворе.
Хлорофиллы образуют комплексы с белками in vivo и могут быть выделены в таком виде. В составе комплексов их спектры поглощения значительно отличаются от спектров свободных хлорофиллов в органических растворителях.
Хлорофиллы можно получить в виде кристаллов. Добавление H2O или Ca2+ к органическому растворителю способствует кристаллизации.
Общая структура хлорофилла a, b и d
Структура хлорофилла c1, c2
Структура хлорофилла f
Оптический спектр поглощения хлорофиллов a (голубой) и b (красный)
Хроматограмма зелёного пигмента растений
Применение
Хлорофилл находит применение в пищевой промышленности как пищевая добавка (регистрационный номер в европейском реестре E140), однако при хранении в этанольном растворе, особенно в кислой среде, неустойчив, приобретает грязно-коричнево-зеленый оттенок, и не может использоваться как натуральный краситель. Нерастворимость нативного хлорофилла в воде также ограничивает его применение в качестве натурального пищевого красителя. Но хлорофилл вполне успешно используется в качестве натуральной замены синтетических красителей при изготовлении кондитерских изделий[5].
Производное хлорофилла — хлофиллин медный комплекс (тринатриевая соль) получил распространение в качестве пищевого красителя (Регистрационный номер в европейском реестре E141). В отличие от нативного хлорофилла, медный комплекс устойчив в кислой среде, сохраняет изумрудно-зелёный цвет при длительном хранении и растворим в воде и водно-спиртовых растворах. Американская (USP) и Европейская (EP) фармакопеи относят хлорофиллид меди к пищевым красителям, однако вводят лимит на концентрацию свободной и связанной меди (тяжёлый металл).
Хлорофилл придаёт листьям зелёный цвет и поглощает свет при фотосинтезе
В клетках эукариотов хлорофилл обычно находится в хлоропластах![Этап экстракции хлорофилла с использованием растворителей и делительной воронки[6]](//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9f/Chlorophyll_Extraktion.jpg/120px-Chlorophyll_Extraktion.jpg)
Карта распределения хлорофилла по поверхности мирового океана в период с 1998 по 2006 по данным спутникового прибора SeaWiFS
![Этап экстракции хлорофилла с использованием растворителей и делительной воронки[6]](/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Chlorophyll_Extraktion.jpg)
Безопасность
Объединённый экспертный комитет ФАО/ВОЗ по пищевым добавкам (JECFA) в 1969, 1975 и 1985 годах исследовал токсичность хлорофилла для его использования в качестве пищевой добавки[7]. По итогам проведённых исследований, не удалось установить допустимое суточное потребление (ДСП), поскольку вещество не проявляло негативные эффекты даже в высоких дозировках[7]. В 2015 году Европейское агентство по безопасности продуктов питания (EFSA) провело переоценку хлорофилла и пришло к выводу, что нет никаких оснований полагать, что хлорофилл представляет какую-либо опасность[8].
Примечания
- ↑Pelletier and Caventou (1817) «Notice sur la matière verte des feuilles» («Замечания о зелёном материале листьев»), Journal de Pharmacie, 3 : 486—491.
- ↑M. Tswett (1906) Physikalisch-chemische Studien über das Chlorophyll. Die Adsorptionen. (Физико-химические исследования хлорофилла. Адсорбция.) Ber. Dtsch. Botan. Ges.24, 316—323 .
- ↑R. B. Woodward, W. A. Ayer, J. M. Beaton, F. Bickelhaupt, R. Bonnett. THE TOTAL SYNTHESIS OF CHLOROPHYLL (англ.) // Journal of the American Chemical Society. — 1960. — Vol. 82, iss. 14. — P. 3800–3802. — doi:10.1021/ja01499a093.
- ↑Ian Fleming. Absolute Configuration and the Structure of Chlorophyll (англ.) // Nature. — 1967-10-14. — Vol. 216, iss. 5111. — P. 151–152. — doi:10.1038/216151a0.
- ↑Древин В.Е., Шипаева Т.А., Комарова В.И. Использование растительных компонентов в пищевой промышленности // Пищевая промышленность : журнал. — 2012. — № 12. — С. 62—63.
- ↑S. W. Jeffrey: Paper-chromatographic separation of chlorophylls and carotenoids from marine algae. In: The Biochemical journal, том 80, август 1961, с. 336–342; doi:10.1042/bj0800336, PMID 13789753, PMC 1244004
- ↑ 12World Health Organization. CHLOROPHYLLS // Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives. Архивировано 28 декабря 2022 года.
- ↑Scientific Opinion on the re-evaluation of chlorophylls (E 140(i)) as food additives (англ.). European Food Safety Authority (7 мая 2015). Дата обращения: 13 октября 2022. Архивировано 13 октября 2022 года.
Ссылки
- Монтеверде Н. А., Любименко В. Н. Исследования над образованием хлорофилла у растений // Известия Императорской Академии наук. VII серия. — СПб., 1913. — Т. VII, № 17. — С. 1007–1028.
- Speer, Brian R. (1997). «Photosynthetic Pigments» на сайте UCMP Glossary (online). University of California, Berkeley Museum of Paleontology. Verified availability August 4, 2005. (англ.)
- Chlorophyll d: the puzzle resolved (англ.)
- Билич Г. Л., Крыжановский В. А. Биология. Полный курс: В 4 т. — издание 5-е, дополненное и переработанное. — М.: Издательство Оникс, 2009. — Т. 1. — 864 с. — ISBN 978-5-488-02311-6
