Хлорофилл

Хлорофилл — это зелёный пигмент, содержащийся в растениях, водорослях и некоторых бактериях, который обеспечивает фотосинтез — процесс преобразования энергии света в химическую энергию органических соединений. Хлорофилл поглощает свет в основном в синей и красной частях спектра, отражая зелёный, что придаёт растениям характерную окраску. Молекула хлорофилла по структуре близка к гему гемоглобина, но в центре её вместо атома железа находится атом магния.

История открытия

Первые научные описания зелёного пигмента растений относятся к началу XIX века. В 1817 году французские химики Жозеф Бьенеме Каванту и Пьер Жозеф Пеллетье выделили из листьев растений зелёное вещество и назвали его «хлорофиллом» (от греч. chloros — зелёный и phyllon — лист). Однако точная химическая структура была установлена лишь в начале XX века. В 1906 году русский ботаник Михаил Семёнович Цвет разработал метод хроматографии, который позволил разделить хлорофилл на два основных компонента — хлорофилл a и хлорофилл b. В 1915 году немецкий химик Рихард Вильштеттер получил Нобелевскую премию по химии за исследования хлорофилла, включая установление его эмпирической формулы. Полный синтез молекулы хлорофилла был осуществлён в 1960 году американским химиком Робертом Вудвордом.

Химическое строение

Молекула хлорофилла состоит из порфиринового кольца (тетрапиррольной структуры) с центральным атомом магния и длинной фитольной «хвостовой» цепочки. Порфириновое кольцо обеспечивает поглощение света, а фитольный хвост удерживает молекулу в мембранах хлоропластов. Различают несколько типов хлорофилла, которые отличаются боковыми заместителями в порфириновом кольце:

• Хлорофилл a — основной пигмент всех фотосинтезирующих организмов, участвует непосредственно в световых реакциях фотосинтеза. Его молекулярная формула — C₅₅H₇₂O₅N₄Mg.
• Хлорофилл b — вспомогательный пигмент, расширяющий спектр поглощения света. Встречается у высших растений и зелёных водорослей. Отличается от хлорофилла a наличием альдегидной группы вместо метильной.
• Хлорофилл c — обнаружен у диатомовых водорослей и бурых водорослей.
• Хлорофилл d — найден у некоторых красных водорослей и цианобактерий.
• Хлорофилл f — открыт в 2010 году у цианобактерий, способен поглощать свет в ближней инфракрасной области.

Физические и химические свойства

Хлорофилл представляет собой тёмно-зелёный порошок или маслянистую жидкость, нерастворимый в воде, но хорошо растворимый в органических растворителях (этанол, ацетон, эфир). При нагревании или воздействии кислот хлорофилл разрушается, теряя атом магния и превращаясь в феофитин (коричневато-оливковое соединение). Под действием света хлорофилл может флуоресцировать — излучать красный свет при возбуждении. Спектры поглощения хлорофилла a имеют максимумы при длинах волн около 430 нм (синий) и 662 нм (красный), для хлорофилла b — при 453 нм и 642 нм.

Роль в фотосинтезе

Хлорофилл является ключевым компонентом фотосинтетических систем растений, водорослей и цианобактерий. Процесс фотосинтеза протекает в хлоропластах — органеллах растительных клеток, содержащих тилакоидные мембраны, в которые встроены молекулы хлорофилла. Фотосинтез делится на световую и темновую фазы:

• Световая фаза происходит на мембранах тилакоидов. Хлорофилл поглощает фотоны света, что приводит к возбуждению электронов и их переносу по электрон-транспортной цепи. Это вызывает расщепление воды (фотолиз) с выделением кислорода, образование АТФ и НАДФ·Н.
• Темновая фаза (цикл Кальвина) протекает в строме хлоропластов и использует АТФ и НАДФ·Н для фиксации углекислого газа и синтеза глюкозы.

Хлорофилл a входит в состав реакционных центров фотосистемы I и фотосистемы II, где непосредственно участвует в преобразовании световой энергии. Вспомогательные пигменты (хлорофилл b, каротиноиды) передают энергию на хлорофилл a, расширяя спектральный диапазон фотосинтеза.

Распространение в природе

Хлорофилл присутствует во всех фотосинтезирующих растениях, включая мхи, папоротники, голосеменные и цветковые. У водорослей состав хлорофиллов варьирует: зелёные водоросли содержат хлорофиллы a и b, бурые — a и c, красные — a и d. Цианобактерии (сине-зелёные водоросли) содержат хлорофилл a и фикобилины. У некоторых бактерий (например, пурпурных серобактерий) фотосинтез осуществляется с помощью бактериохлорофиллов, которые поглощают свет в инфракрасной области.

Применение

В пищевой промышленности

Хлорофилл используется как натуральный зелёный краситель (E140) в производстве кондитерских изделий, напитков, мороженого, жевательной резинки. Обычно применяют хлорофиллин — водорастворимое производное хлорофилла, полученное омылением. В России и странах ЕС E140 разрешён к применению.

В медицине и косметологии

Хлорофилл и его производные изучаются на предмет антиоксидантных, противовоспалительных и ранозаживляющих свойств. В некоторых странах хлорофиллин используется в составе зубных паст и ополаскивателей для полости рта для уменьшения неприятного запаха. В народной медицине хлорофилл иногда применяется как компонент «зелёных коктейлей» и БАДов, однако научные доказательства значимых терапевтических эффектов ограничены.

В научных исследованиях

Хлорофилл служит индикатором состояния растений: его содержание в листьях коррелирует с уровнем азотного питания и фотосинтетической активностью. Измерение концентрации хлорофилла с помощью спектрофотометрии используется в агрономии для оценки здоровья посевов. Также хлорофилл применяется в биохимических экспериментах для изучения механизмов фотосинтеза.

Интересные факты

• Осенью разрушение хлорофилла в листьях приводит к проявлению жёлтых и оранжевых пигментов (каротиноидов), что объясняет осеннюю окраску листвы.
• Хлорофилл структурно близок к гемоглобину крови, но вместо магния в геме содержится железо. Это сходство породило миф о том, что хлорофилл может «очищать кровь», что не подтверждено наукой.
• В 2020 году учёные обнаружили хлорофилл в метеорите, упавшем на Землю, что указывает на возможное внеземное происхождение некоторых органических молекул.
• В 1960-х годах советский биохимик Андрей Курсанов предложил использовать хлорофилл для создания искусственных фотосинтетических систем, что стало предтечей современной области искусственного фотосинтеза.

Критика и ограничения

Использование хлорофилла в качестве биологически активной добавки вызывает споры. Некоторые производители приписывают хлорофиллу свойства «детоксикации» и «омоложения», однако клинические исследования не подтверждают значимого влияния на здоровье человека при пероральном приёме. В больших дозах хлорофилл может вызывать расстройства пищеварения. Также хлорофилл чувствителен к нагреванию и свету, что ограничивает его применение в продуктах с длительным сроком хранения.

Источники

• Ботаника: учебник для вузов / под ред. П. М. Жуковского. — М.: Колос, 1982.
• Ленинджер А. Основы биохимии. — М.: Мир, 1985.
• Вильштеттер Р., Штолль А. Исследования хлорофилла. — Л.: ОНТИ, 1934.
• Гудвин Т. Сравнительная биохимия растений. — М.: Мир, 1972.
• Цвет М. С. Хроматографический адсорбционный анализ. — СПб.: Тип. Императорской Академии наук, 1910.
• Scheer H. Chlorophylls and Bacteriochlorophylls: Biochemistry, Biophysics, Functions and Applications. — Springer, 2006.
• Большая российская энциклопедия: Хлорофилл. — М., 2017.