叶绿素

叶绿素是存在于蓝细菌中以及在藻类和植物的叶绿体内的几种相关绿色色素之一。它的名字来源于希腊语单词 χλωρός, khloros（“浅绿色”）和 φύλλον, phyllon（“叶子”）。叶绿素使植物能够从光中吸收能量。

叶绿素在电磁光谱的蓝色部分以及红色部分吸收光最为强烈。相反，它对绿色和接近绿色的光谱部分的吸收能力较差。因此，含有叶绿素的组织呈现绿色，因为像细胞壁这样的结构漫反射的绿色光被吸收得较少。在绿色植物的光合系统中存在两种类型的叶绿素：[[叶绿素a（Chlorophyll a）]]和[[叶绿素b（Chlorophyll b）]]。

历史

叶绿素最初是由Joseph Bienaimé Caventou和Pierre Joseph Pelletier在1817年分离并命名的。叶绿素中镁的存在是在1906年被发现的，这也是首次在活体组织中检测到该元素。

在德国化学家Richard Willstätter从1905年到1915年的初步工作之后，Hans Fischer在1940年阐明了叶绿素a的一般结构。到了1960年，当叶绿素a的大部分立体化学已知时，Robert Burns Woodward发表了该分子的全合成。1967年，Ian Fleming完成了剩下的立体化学阐明，并且在1990年，Woodward及其合作者发表了更新的合成方法。叶绿素f在2010年被发现在形成叠层石的蓝细菌和其他光合微生物中存在；根据核磁共振、光学和质谱数据，推导出了分子式{55}H_{70}O_6N_4Mg$和(2-甲酰基)-叶绿素a的结构。

光合作用

叶绿素对光合作用至关重要，它使植物能够从光中吸收能量。

叶绿素分子排列在类囊体膜中的光合系统周围。在这些复合物中，叶绿素有三个功能：

绝大多数叶绿素的功能（每个光合系统可达数百个分子）是吸收光。 完成这一功能后，这些相同的中心执行它们的第二个功能：通过共振能量转移将能量传递到光合系统反应中心的一个特定叶绿素对。 这个特定的叶绿素对执行叶绿素的最终功能：电荷分离，产生未结合的质子（^+$）和电子（^−$），它们分别推动生物合成。 目前公认的两种光合系统单元是光合系统I和光合系统II，它们各自有自己独特的反应中心，分别命名为P700和P680。这些中心是根据它们的红色吸收峰最大值（以纳米为单位）的波长命名的。每个光合系统中的叶绿素类型的确切身份、功能和光谱特性是不同的，并由彼此以及周围蛋白质结构决定。

叶绿素反应中心的功能是吸收光能并将其传递到光合系统的其他部分。光子的吸收能量在一种称为电荷分离的过程中转移到一个电子上。叶绿素中的电子被移除是一个氧化反应。叶绿素将高能电子捐赠给一系列称为电子传递链的分子中间体。然后，带电的叶绿素反应中心（[[0. 光系统II（PSII）]]）通过接受从水中剥离的电子还原回其基态。还原P680+的电子最终来自水通过几个中间体氧化成$和^+$的过程。这个反应是光合生物，如植物产生$气体的方式，也是地球大气中几乎所有$的来源。光合系统I通常与光合系统II串联工作；因此，[[0. 光系统I（PSI）]]通常会通过类囊体膜中的许多中间体接受来自[[0. 光系统II（PSII）]]的电子而被还原。然而，类囊体膜中的电子传递反应是复杂的，用于还原P700+的电子来源可能会有所不同。

反应中心叶绿素色素产生的电子流用于将H+离子泵过类囊体膜，建立起一个质子动力势，这是一种主要用于产生ATP（储存的化学能）或还原^+$为NADPH的化学渗透势。

反应中心叶绿素-蛋白质复合物能够直接吸收光并进行电荷分离事件，而不需要其他叶绿素色素的帮助，但在给定的光强度下这种情况发生的概率很小。因此，光合系统中的其他叶绿素和天线色素蛋白都协同吸收并引导光能到反应中心。除了叶绿素a，这些色素-蛋白质天线复合物中还存在其他称为辅助色素的色素。

化学结构

已知的叶绿素有多种。所有叶绿素都是根据母体氯素的衍生物来定义的，它们在四个类似吡咯的环之外还有一个含有酮的第五个环。大多数叶绿素被归类为氯素，它们是血红素中发现的卟啉的还原性亲属。它们与卟啉共享共同的生物合成途径，包括前体尿卟啉原III。与含有与N4中心结合的铁的血红素不同，大多数叶绿素结合了镁。为了清晰起见，通常会省略附着在^{2+}$中心的轴向配体。附加到氯素环上的是各种侧链，通常包括一个长的叶绿醇链（{20}H_{39}O$）。

叶绿素的结构总结如下：

| [ <br>Chlorophyll _a_](https://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll_a "Chlorophyll a") | [Chlorophyll _b_](https://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll_b "Chlorophyll b") | [Chlorophyll _c1_](https://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll_c1 "Chlorophyll c1") | [Chlorophyll _c2_](https://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll_c2 "Chlorophyll c2") | [Chlorophyll _d_](https://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll_d "Chlorophyll d") | [Chlorophyll _f_](https://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll_f "Chlorophyll f")[[14]](https://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll#cite_note-ChlF-14) | | | ---------------------------------------------------------------------------------------- | ------------------------------------------------------------------------------ | --------------------------------------------------------------------------------- | --------------------------------------------------------------------------------- | ------------------------------------------------------------------------------ | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | --------------------- | | [Molecular formula](https://en.wikipedia.org/wiki/Molecular_formula "Molecular formula") | C55H72O5N4Mg | C55H70O6N4Mg | C35H30O5N4Mg | C35H28O5N4Mg | C54H70O6N4Mg | C55H70O6N4Mg | | C2 group | [−CH3](https://en.wikipedia.org/wiki/Methyl_group "Methyl group") | −CH3 | −CH3 | −CH3 | −CH3 | −CHO | | C3 group | [−CH=CH2](https://en.wikipedia.org/wiki/Vinyl_group "Vinyl group") | −CH=CH2 | −CH=CH2 | −CH=CH2 | [−CHO](https://en.wikipedia.org/wiki/Formyl "Formyl") | −CH=CH2 | | C7 group | −CH3 | −CHO | −CH3 | −CH3 | −CH3 | −CH3 | | C8 group | [−CH2CH3](https://en.wikipedia.org/wiki/Ethyl_group "Ethyl group") | −CH2CH3 | −CH2CH3 | −CH=CH2 | −CH2CH3 | −CH2CH3 | | C17 group | −CH2CH2COO−Phytyl | −CH2CH2COO−Phytyl | [−CH=CHCOOH](https://en.wikipedia.org/wiki/Acrylate "Acrylate") | −CH=CHCOOH | −CH2CH2COO−Phytyl | −CH2CH2COO−Phytyl | | C17−C18 bond | Single <br>(chlorin) | Single <br>(chlorin) | Double <br>(porphyrin) | Double <br>(porphyrin) | Single <br>(chlorin) | Single <br>(chlorin) | | Occurrence | Universal | Mostly plants | Various algae | Various algae | Cyanobacteria | Cyanobacteria |

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除了带有字母标记的叶绿素之外，自然界中还已知存在叶绿素结构侧链的多种修饰。例如，一种蓝细菌Prochlorococcus使用8-乙烯基叶绿素a和b。这些侧链的修饰可以影响叶绿素的光谱特性，从而适应不同环境下的光合作用需求。Prochlorococcus的这种特殊类型的叶绿素使其能够在海洋中特定的光照条件下进行有效的光合作用，这些条件可能与陆地植物或淡水藻类所面临的条件不同。这种多样性的存在表明，叶绿素及其相关色素在进化过程中发生了广泛的适应性变化，以优化不同生物体在各自生态环境中的光合效率。

叶绿素含量的测量

叶绿素可以从蛋白质中提取到有机溶剂中。通过这种方式，可以估算出叶片内叶绿素的浓度。也存在分离叶绿素a和叶绿素b的方法。

在二乙醚中，叶绿素a的大致吸收最大值分别为430纳米和662纳米，而叶绿素b的大致最大值为453纳米和642纳米。叶绿素a的吸收峰位于465纳米和665纳米。叶绿素a在673纳米（最大）和726纳米处发出荧光。叶绿素a的峰值摩尔吸收系数超过105 M−1 cm−1，这在小分子有机化合物中是最高的之一。在90%的丙酮-水溶液中，叶绿素a的峰值吸收波长为430纳米和664纳米；叶绿素b的峰值为460纳米和647纳米；叶绿素c1的峰值为442纳米和630纳米；叶绿素c2的峰值为444纳米和630纳米；叶绿素d的峰值为401纳米、455纳米和696纳米。

可以使用比率荧光发射来测量叶绿素含量。通过在较低波长处激发叶绿素a的荧光，叶绿素荧光发射在705±10纳米和735±10纳米的比例可以与化学测试相比，提供叶绿素含量的线性关系。F735/F700的比例与化学测试的相关值达到r2 0.96，范围从41 mg m−2到675 mg m−2。Gitelson还开发了一个直接读取叶绿素含量（以mg m−2为单位）的公式。该公式提供了一种可靠的方法，用于测量从41 mg m−2到675 mg m−2的叶绿素含量，相关系数r2值为0.95。

Dualex是一种在植物科学和农业中使用的光学传感器，用于评估叶片中的叶绿素含量。这个设备允许研究人员进行实时和非破坏性的测量。

生物合成

在一些植物中，叶绿素是由谷氨酸衍生而来，并通过一个分支的生物合成途径合成的，这个途径与血红素和西罗血红素共享。叶绿素合成酶是完成叶绿素a生物合成的酶：

叶绿素ide a + 菲基二磷酸 ⇌ 叶绿素 a + 二磷酸

这个转化形成了叶绿素ide a中的羧酸基团与20碳二萜醇菲醇的酯。叶绿素b是通过同一个酶作用于叶绿素ide b而合成的。叶绿素d和f也是同样的情况，它们都是由相应的叶绿素ides最终由叶绿素ide a合成的。

在被子植物中，生物合成途径的后期步骤是依赖光的。如果这些植物在黑暗中生长，它们会变得苍白（黄化）。非维管植物和绿色藻类具有一个额外的光独立酶，即使在黑暗中也能保持绿色生长。

叶绿素与蛋白质结合。原叶绿素ide，是生物合成途径中的一个中间体，大部分以自由形式存在，在光照条件下，它作为一种光敏剂，形成自由基，这些自由基对植物可能有毒。因此，植物调节这种叶绿素前体的数量。在被子植物中，这种调节是通过生物合成途径中的中间化合物氨基乙酰丙酸（ALA）这一步骤实现的。被ALA喂养的植物会积累高水平和有毒的原叶绿素ide；受损的调节系统突变体也会如此。

衰老与叶绿素循环

植物衰老的过程涉及叶绿素的降解：例如，酶叶绿素酶（EC 3.1.1.14）水解菲基侧链，从而逆转叶绿素从叶绿素ide a或b生物合成的反应。由于叶绿素ide a可以转化为叶绿素ide b，而后者可以重新酯化为叶绿素b，这些过程允许在叶绿素a和b之间循环。此外，叶绿素b可以直接还原（通过71-羟基叶绿素a）回到叶绿素a，完成循环。在衰老的后期阶段，叶绿素ides转化为一组无色的四吡咯，称为非荧光叶绿素降解产物（NCC’s），其一般结构如下：

$结构式：$

![[Nonfluorescentchlorophilcatabolites.svg.png]]

这些化合物也已在成熟的水果中被识别出来，它们给落叶植物带来了特征性的秋色。

分布

叶绿素地图显示了每个月每立方米海水中的叶绿素毫克数。叶绿素含量非常低的地方，表明浮游植物数量很少，显示为蓝色。叶绿素浓度高的地方，意味着许多浮游植物正在生长，显示为黄色。这些观察数据来自美国宇航局Aqua卫星上的中等分辨率成像光谱仪（MODIS）。陆地呈深灰色，而由于海冰、极地黑暗或云层影响，MODIS无法收集数据的地方呈浅灰色。叶绿素浓度最高的地方，即微型海洋表层植物生长旺盛的区域，位于寒冷的极地水域或洋流将冷水带到表面的地方，例如赤道附近和大陆沿岸。并不是冷水本身刺激了浮游植物。相反，凉爽的温度通常是水从海洋深处上升到表层的一个标志，这些水携带了随时间积累的营养物质。在极地水域，营养物质在冬季黑暗月份的表层水中积累，当时植物无法生长。当春季和夏季阳光回归时，植物在高浓度下繁荣生长。

烹饪用途

合成叶绿素被注册为食品添加剂色素，其E编号为E140。厨师们使用叶绿素来给各种食物和饮料上色，如意大利面和烈酒。苦艾酒因其生产过程中使用的多种草药引入的叶绿素而自然呈现绿色。叶绿素不溶于水，首先需要与少量植物油混合以获得所需的溶液。

生物学用途

2002年的一项研究发现，“暴露在强光下的叶子含有降解的主要天线蛋白质，而那些在黑暗中保存的则没有，这与对孤立蛋白质照明的研究一致”。这看起来支持了研究者的假设，即“活性氧种类在植物短期行为中起着作用”。