12. Хлорофилл как основной фотосинтетический пигмент – структура, свойства. Биосинтез хлорофилла.

Хлорофилл – зеленый светочувствительный пигмент растений. Молекулы хлорофилла обладают уникальной способностью преобразовывать энергию солнца, поглощаемую растительными клетками, в химическую энергию. Процесс преобразования солнечной энергии называется фотосинтезом.

Наиболее распространенный – хлорофилл А - имеет синевато-зеленый цвет – С₅₅Н₇₂О₅N₄Mg.

Хлорофилл В – С₅₅Н₇₀О₆N₄Mg.

Основу молекулы хлорофилла, как и гема гемоглобина, составляет порфириновое ядро. Четыре пиррольных кольца соединены между собой метиновыми мостиками. Атомы азота пиррольных колец четырьмя «координационными» связями взаимодействуют с атомом магния. В структуре порфиринового ядра есть также цикло-пентановое кольцо, образованное остатком кетопропионовой кислоты и содержащее химически активную карбонильную группу у С₉ и метилированную карбоксильную группу С₁₀. Структура, состоящая из тетрапиррольного и циклопентанового колец, получила название форбина. Боковая цепь пиррольного кольца включает в себя пропионовую кислоту, связанную сложноэфирной связью с полиизопреновым непредельным спиртом фитолом (С₂₀Н₃₉ОН). У 1, 3, 5 и 8-го углеродов пиррольных колец имеются метальные группы, у 2-го — винильная, у 4-го — этильная группа. Порфириновое кольцо представляет собой систему из девяти пар конъюгированных (сопряженных) чередующихся двойных и одинарных связей с 18 делокализованными p-электронами. Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что у 3-го углерода вместо метильной (-СН₃) находится формильная (-СНО) группа. Структура хлорофилла, лишенная фитола, называется хлорофиллидом. При замещении атома магния протонами в молекуле хлорофиллов образуются соответствующие феофетины.Сходство с гемом говорит о принципиальном структурном сходстве хлорофилла у растений, гемоглобина - у животных.

У хлорофилла связь с белками не такая прочная. Хлорофилл связан с белками тилакоидных мембран. По химическому строению хлорофилл – это сложный эфир, это двухосновная хлорофиллиновая кислота. В результате омыления в реакции со щелочью NaOH, освобождаются спирты метол и фитол и образуется натриевая соль хлорофиллиновой кислоты. Реакция с кислотой: Mg замещается двумя Н, образуется феофетин бурого цвета. Mg является центром двойных и одинарных связей.

Гидрофильность/гидрофобность молекул хлорофилла – это свойство, которое определяет связь хлорофилла в тилакоидных мембранах. Порфириновое ядро обладает свойствами гидрофильности, а длинный углеводный хвост фитола – гидрофобный.

Хлорофилл А является фотосинтетически активным. Он существует в нескольких спектральных формах – 680 и 700 нм. Хлорофилл поглощает красный и синий свет (хлорофилл А – 660, 430 нм; хлорофилл В – 644, 450 нм).

Биосинтез хлорофилла происходит в две фазы: темновую – до протохлорофиллида и световую – образование из протохлорофиллида хлорофиллида. Синтез начинается с превращения глутаминовой кислоты в 5-аминолевулиновую кислоту. 2 молекулы 5-аминолевулиновой кислоты конденсируются в порфобиллиноген. Далее 4 молекулы порфобилиногена превращаются в протопорфирин IX. После этого в кольцо встраивается магний и получается протохлорофиллид. На свету и в присутствии НАДН образуется хлорофиллид: протохлорофиллид + 2Н⁺ + hv → хлорофиллид. Протоны присоединяются к четвертому пиррольному кольцу в молекуле пигмента. На последнем этапе происходит взаимодействие хлорофиллида со спиртом фитолом: хлорофиллид + фитол → хлорофилл.

В синтезе хлорофилла участвуют различные ферменты, составляющие полиферментный комплекс. Свет коственно ускоряет образование предшественников хлорофилла, ускоряет действие ферментов. Один из наиболее важных ферментов, фермент катализирующий синтез 5-аминолевулиновой кислоты – аминолевулинат синтетаза. Содержание хлорофилла в листе колеблется незначительно, это связано с разрушением старых и образованием новых молекул хлорофилла,они уравновешивают друг друга. Вновь образовавшиеся молекулы не смешиваются со старыми и имеют несколько иные свойства.