Hlorofils: kas tas ir, funkcijas un nozīme fotosintēzē

Hlorofils ir nepieciešams fotosintēzei, kas ļauj augiem iegūt enerģiju no gaismas.

Hlorofila molekulas ir izvietotas hloroplastu membrānās un ap tām. Tas pilda divas galvenās funkcijas. Lielākā daļa hlorofila (līdz pat vairākiem simtiem molekulu katrā fotosistēmā) absorbē gaismu un pārnes gaismas enerģiju uz reakcijas centriem. Šo pigmentu nosaukumus piešķir pēc to sarkanā absorbcijas maksimuma viļņa garuma (nanometros). Šos hlorofila pigmentus var atdalīt vienkāršā papīra hromatogrāfijas eksperimentā.

Hlorofila reakcijas centra funkcija ir izmantot no citiem hlorofila pigmentiem uz to pārnesto enerģiju, lai veiktu specifisku redoksreakciju. Šajā reakcijā hlorofils nodod elektronu elektronu transporta ķēdei. Šī reakcija ir veids, kā fotosintētiski organismi, piemēram, augi, ražo O₂ gāzi, un tā ir praktiski visa O₂ avots Zemes atmosfērā. I fotosistēma parasti darbojas virknē ar II fotosistēmu.

Elektronu plūsma, ko rada hlorofila pigmentu reakcijas centrs, tiek izmantota H⁺ jonu pārvietošanai pāri membrānai, radot hemiosmotisko potenciālu, ko galvenokārt izmanto ATP ķīmiskās enerģijas ražošanai; un šie elektroni galu galā reducē NADP⁺ līdz NADPH, universālam reducētājam, ko izmanto CO₂ pārvēršanai cukurā, kā arī citām biosintētiskām reducēšanas darbībām.

Ir atklāts, ka zaļais jūras gliemezis Elysia chlorotica izmanto apēsto hlorofilu, lai pats veiktu fotosintēzi. Šo procesu sauc par kleptoplastiju, un nevienam citam dzīvniekam šāda spēja nav konstatēta.

Kāpēc zaļš, nevis melns?

Joprojām nav īsti skaidrs, kāpēc augi lielākoties ir attīstījušies kā zaļi. Zaļie augi galvenokārt atstaro zaļo un tuvu zaļajai gaismu, nevis absorbē to. Citas fotosintēzes sistēmas daļas joprojām ļauj zaļajiem augiem izmantot zaļo gaismas spektru (piemēram, izmantojot gaismu aizturošu lapu struktūru, karotinoīdus u. c.). Zaļie augi neizmanto lielu redzamā spektra daļu tik efektīvi, cik iespējams. Melns augs var absorbēt vairāk starojuma, un tas varētu būt ļoti noderīgi, nerunājot par problēmām, kas saistītas ar šī papildu siltuma likvidēšanu (piemēram, dažiem augiem karstās dienās ir jāslēdz atveres, ko sauc par stomu, lai nezaudētu pārāk daudz ūdens). Precīzāk, rodas jautājums, kāpēc vienīgā gaismu absorbējošā molekula, ko augos izmanto enerģijai, ir zaļa, nevis vienkārši melna.

Biologs Džons Bermans ir teicis, ka evolūcija nav inženiertehnisks process, tāpēc tai bieži vien ir ierobežojumi, kādi nav inženierim vai citam dizainerim. Pat ja melnās lapas būtu labākas, evolūcijas ierobežojumi var neļaut sugām kļūt pēc iespējas efektīvākām. Bermans rakstīja, ka iegūt pigmentus, kas darbojas labāk par hlorofilu, varētu būt ļoti grūti. Patiesībā tiek uzskatīts, ka visi augstākie augi (embriofīti) ir attīstījušies no kopīga priekšteča, kas ir sava veida zaļās aļģes - tātad hlorofils ir attīstījies tikai vienu reizi (kopīgs priekšnācējs).

Šils DasSarma (Shil DasSarma), mikroorganismu ģenētiķis no Merilendas Universitātes, ir norādījis, ka arheju sugas izmanto citu gaismu absorbējošu molekulu - retinālu, lai iegūtu enerģiju no zaļā spektra. Daži zinātnieki uzskata, ka zaļo gaismu absorbējošās arhejas kādreiz Zemes vidē bija visizplatītākās. Tas varēja atstāt brīvu "nišu" zaļajiem organismiem, kas absorbētu citus saules gaismas viļņu garumus. Tā ir tikai iespējamība, un Bermans raksta, ka zinātnieki joprojām nav pārliecināti par kādu no skaidrojumiem.

Hlorofils ir hlorīna pigments, kas pēc struktūras ir līdzīgs citiem porfirīna pigmentiem, piemēram, hemam, un tiek iegūts, izmantojot to pašu metabolisma ceļu. Hlorīna gredzena centrā ir magnija jons. Šajā rakstā attēlotajās struktūrās daži ligandi, kas pievienoti Mg²⁺ centram, skaidrības labad ir izlaisti. Hlorīna gredzenam var būt vairākas dažādas sānu ķēdes, parasti ieskaitot garu fitola ķēdi. Dabā sastopamas vairākas dažādas formas, bet sauszemes augos visplašāk izplatītā forma ir hlorofils a. Hlorofila a vispārējo struktūru 1940. gadā izstrādāja Hanss Fišers. Līdz 1960. gadam, kad bija zināma lielākā daļa hlorofila a stereohīmijas, Roberts Bērnss Vudvudvards (Robert Burns Woodward) publicēja pilnīgu molekulas sintēzi. Pēdējo atlikušo stereohēmisko skaidrojumu 1967. gadā pabeidza Ians Flemings, un 1990. gadā Vudvudvards un līdzautori publicēja atjauninātu sintēzi. Iespējams, 2010. gadā cianobaktērijās un citos skābekļa mikroorganismos, kas veido stromatolītus, tika atklāts fotosintētiskais pigments, kas ir tuvu infrasarkanajai gaismai un ko sauc par hlorofilu f.

Turpmāk ir apkopotas dažādas hlorofila struktūras:

Hlorofila satura mērītāji mēra lapu optisko absorbciju, lai noteiktu hlorofila saturu. Hlorofila molekulas absorbē zilā un sarkanā joslā, bet ne zaļajā un infrasarkanajā joslā. Hlorofila satura mērītāji mēra absorbcijas daudzumu sarkanajā joslā, lai novērtētu hlorofila daudzumu lapās. Lai kompensētu mainīgo lapu biezumu, hlorofila mērītāji mēra arī absorbciju infrasarkanajā joslā, kuru hlorofils būtiski neietekmē.

Hlorofila saturu lapās var izmērīt nedestruktīvi, izmantojot ar rokām turamus, ar baterijām darbināmus mērierīces. Ar šīm ierīcēm veiktie mērījumi ir vienkārši, ātri un salīdzinoši lēti. Tagad tām ir liela datu uzglabāšanas ietilpība, vidējo vērtību noteikšana un grafiski displeji.

Spektrofotometrija

Gaismas absorbcijas mērījumus apgrūtina šķīdinātājs, ko izmanto, lai to iegūtu no augu materiāla, kas ietekmē iegūtās vērtības,

• Dietilēterī hlorofila a aptuvenais absorbcijas maksimums ir 428 nm un 660 nm, bet hlorofila b aptuvenais maksimums ir 453 nm un 642 nm.
• Hlorofila a absorbcijas maksimums ir pie 666 nm.

Hlorofila sintēzes pēdējais posms ir atkarīgs no gaismas. Šādi augi ir bāli (etiolēti), ja tos audzē tumsā. Nevaskulārajiem augiem un zaļajām aļģēm ir papildu no gaismas neatkarīgs enzīms, un tā vietā tie tumsā aug zaļi.

Hloroze ir stāvoklis, kad lapas neizgatavo pietiekami daudz hlorofila, tāpēc tās kļūst dzeltenas. Hlorozi var izraisīt nepietiekams dzelzs daudzums - tā saucamā dzelzs hloroze - vai nepietiekams magnija vai slāpekļa daudzums. Šāda veida hlorozi dažkārt ietekmē augsnes pH. Daudzi augi ir pielāgojušies augšanai augsnēs ar noteiktu pH līmeni, un no tā var būt atkarīga to spēja absorbēt barības vielas no augsnes. Hlorozi var izraisīt arī patogēni, tostarp vīrusi, baktērijas un sēnīšu infekcijas, vai sulu sūcēji kukaiņi.

• Ksantofils