Хлорофилл

     Это представление стало общепринятым после работ немецкого ученого  Рейнке (1884-1885 гг.). Многие исследователи  пытались найти способы очистки  зеленых пигментов и определения их химической структуры. В частности, российский ботаник И. П. Бородин в 1882 году описал получение производного хлорофилла — кристаллического этилхлорофиллида при действии этанола на листья. Эти исследования были подтверждены и продолжены российским исследователем Н. А. Монтеверди в 1893 году.  

     Исследованием хлорофилла занимался и замечательный  русский ботаник Михаил Семенович  Цвет, прославившийся: более изобретением хроматографии — простого способа разделения смесей который в наше время стал совершенно незаменимым в химическом анализе. М. С. Цвет родился в Италии и немало скитался по свету в поисках пристанища для спокойной работы. В конце концов, он обосновался в России, на родине своего отца. Здесь им были сделаны главные его открытия, здесь он и умер в 1919 году, не дожив до 47 лет. Созданный ученым аналитический метод, который он назвал хроматографией (от греческого «хрома» — цвет), позволил доказать наличие двух пигментов, составляющих хлорофилл. 

     М. С. Цвет пропускал раствор пигментов  через стеклянную колонку, плотно набитую толченым мелом. И разные пигменты, даже незначительно отличающиеся друг от друга, осаждались по-разному. Таким образом, получался столбик, напоминающий шлагбаум тем, что был окрашен послойно. Метод, предложенный М. Цветом, позже получил развитие и ныне широко применяется в химическом анализе.

       Итак, задача выделения чистых зеленых пигментов была решена в 1906-1908 гг. российским ученым М. С. Цветом с помощью разработанного им хроматографического метода. Цвет показал, что зеленый пигмент растений является смесью двух пигментов, названных позже хлорофиллами а и b. 
 

     Химическую  структуру хлорофилла, а выяснили немецкие ученые Р. Вильштеттер, А. Штоль (1913) и Х. Фишер (1940). Фишер начал работы по химическому синтезу хлорофилла, а полный синтез хлорофилла был выполнен американским химиком< I> Р. Вудвордом в 1960. 
 

       В 1905г. Вильштеттер занял должность профессора химии Федерального технологического института в Цюрихе. 

     Именно  в Цюрихе Вильштеттер начал заниматься исследованиями хлорофилла вещества зеленого цвета, которое содержится почти во всех цветущих растениях, мхах, папоротниках и водорослях. Хлорофилл играет важную роль в фотосинтезе – процессе превращения зелеными растениями под действием света углекислого газа и воды в сахар, крахмал и кислород. В то время, когда Вильштеттер приступил к своим исследованиям, структура хлорофилла не была полностью понятной. В 1906 г. было выдвинуто предположение, что в каждом отдельно взятом растении имеется множество различного рода хлорофиллов и что царство растений представляет собой склад неограниченного числа хлорофиллов. Если бы эта теория была верна, было бы очень трудно определить химическую природу фотосинтеза, поскольку данные, полученные в результате опытов над одним видом растений, могли бы не иметь никакой ценности для исследователей, рассматривающих другие их виды. 

     Значительный вклад, который внес Вильштеттер (в большой мере в сотрудничестве со своим учеником Артуром Штоллем) в решение этой проблемы, отличался технологическим совершенством. На листьях крапивы, дешевом источнике хлорофилла, имеющемся в большом количестве, Вильштеттер показал, что у хлорофилла существует одна основная структура (тетрапиррол, или соединение четырех пиррольных колец, связанных центральным атомом магния). Более того, он обосновал, что, хотя для хлорофилла характерна одна структура, существуют две его почти идентичные формы a и b. Продолжая свою работу, Вильштеттер установил универсальность хлорофилла a и b, подвергнув анализу более 200 растений. Таким образом, он продемонстрировал наличие во всем мире одной фундаментальной структуры хлорофилла. А отсюда напрашивался вывод, что при фотосинтезе повсюду происходят одни и те же химические реакции. Придя к такому открытию, Вильштеттер и Штолль дали такую оценку некоторых противоречивых результатов, полученных ранее исследователями хлорофилла. Они заявили, что эти исследования проводились «с неочищенным хлорофиллом. Собственно говоря, это вообще был не хлорофилл». 

     В 1912г, уступив настоятельной просьбе своего друга Ханса Фишера, Вильштеттер перешел в только что созданный Институт Кайзера Вильгельма в Берлине, где продолжил исследование антоцианинов. Большая часть красных, синих и фиолетовых пигментов растений состоит из антоцианинов – соединений, которые могут быть извлечены из растений с помощью спирта, эфира или воды. Например, благодаря антоцианинам вода, в которой кипит свекла, становится красной. Вильштеттер обнаружил, что при одинаковой структуре растворимых в воде пигментов могут образовываться разные цвета. Он нашел, что большая часть цветков растений обязана своей окраской всего лишь трем антоцианинам, которые различаются только числом гидроксильных групп на одном кольце растворимых в воде структур. Окраска цветков зависит от смеси нескольких антоцианинов и (для желтого цвета) каротиноидов. Проводимые Вильштеттером исследования антоцианина были прерваны разразившейся в 1914 г. первой мировой войной. Из-за травм, которые он получил несколькими годами ранее в горах, совершая восхождение, ученый был освобожден от военной службы. 

     В 1915г. Вильштеттеру была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследования красящих веществ растительного мира, особенно хлорофилла». Поскольку во время войны церемонии награждения были отменены, Вильштеттер получил премию только в 1920 г. В своей Нобелевской лекции он сказал: «Цель моей работы состояла в том, чтобы установить структурные характеристики наиболее широко распространенных пигментов растений, в частности хлорофилла, и найти определенные критерии, касающиеся их химической функции». Работа Вильштеттера над хлорофиллом и антоцианинами показала, что в основе всего разнообразия растительных пигментов лежит лишь несколько химических соединений. Соотнося этот факт с изучением хлорофилла, Вильштеттер утверждал, что биохимические основы фотосинтеза должны быть универсальны и поэтому им предстоит стать объектом научного анализа. 
 

     Окончательную структуру хлорофилла установил  уже знакомый нам Ханс Фишер в 1940 году. 

     Искусственный хлорофилл был получен еще  через 20 лет. Эта заслуга принадлежит коллективу американских ученых, возглавляемому известным химиком-органиком Робертом Бернсом Вудвортом. Недаром его называли непревзойденным королем синтеза, человеком, «который лепит молекулы». В самом деле, 27-летний Вудворт дебютировал синтезом хинина, на который было затрачено чуть больше года. Что же, опять случайное совпадение? Пельтье и Кванту сначала открыли хинин, а потом хлорофилл. Вудворт сначала синтезировал хинин, а потом хлорофилл. В 1951 году Вудворт сообщает, что им проведены синтезы холестерина — одного из стеринов, с которым связано нарушение обмена веществ и отложение бляшек на стенках сосудов, а также кортизона — лекарства против различных воспалительных процессов. Далее следуют синтезы других соединений, среди которых известный нам стрихнин, а также резерпин — средство лечения психических заболеваний и гипертонии. И, наконец, синтез хлорофилла, на который было затрачено 4 года. Отметим попутно, что Вудворт расшифровал к тому же и структуры молекул террамицина, ауромицина, биомицина, стрептомицина, тетрациклина. Значение этих антибиотиков в медицине общеизвестно. Все это вкупе с последующими достижениями (о которых мы еще будем говорить) в 1965 году принесло Вудворту Нобелевскую премию. 

     Итак, было обнаружено, что хлорофилл состоит из двух компонентов, которые получили название а и b, a также (и это для нашего рассказа самое главное) что в центре его порфиринового кольца заключен магний. 

     Вообще-то говоря, типов хлорофилла несколько, и они находятся в растительных клетках в специальных органеллах, или пластидах — хлоропластах. У бактерий, способных осуществлять фотосинтез, хлорофилл заключен в хроматофорах. У растений и у водорослей обычно встречается два типа хлорофилла — а и Ь. Впрочем, у диатомовых и бурых водорослей обнаружен вместо хлорофилла а хлорофилл с, а у красных водорослей — хлорофилл d. 

     Эти работы послужили основой для  понимания функции хлорофилла в  фотосинтетическом аппарате. 
 
 
 
 

       Строение хлорофилла. Физико-химические свойства. Химическая формула хлорофилла. 

     Хлорофилл – пигмент зеленого цвета, присущий клеткам только зеленых растений. Без него невозможен фотосинтез. Хлорофилл был открыт русским ученым М. С. Цветом.  

     В растениях обнаружены различные  хлорофиллы, которые обозначаются малыми латинскими буквами a, b, c, d. Хлорофилл b отличается от хлорофилла, а тем, что в его структуре одна метильная группировка заменена альдегидной и имеет желтый оттенок, а хлорофилл а – синий. Остальные представлены смесью хлорофиллов. 
 

       Молекулярный вес хлорофилла a 893,52. В изолированном состоянии хлорофилл образует черно-голубые микрокристаллы, которые плавятся с образованием жидкости при 117-120°С. Хлорофилл а легко растворяется в диэтиловом эфире, этаноле, ацетоне, хлороформе, бензоле, пиридине. Растворы хлорофилла а имеют сине-зеленую окраску и обладают сильной красной флуоресценцией. Главные максимумы спектра поглощения разбавленных растворов хлорофилла а в диэтиловом эфире — 429 и 660 нм. По химической структуре хлорофилл а относится к хлоринам (дигидропорфиринам), так как одно из его пиррольных колец (кольцо IV) гидрировано по С17-С18 связи. В IV пиррольном кольце к остатку пропионовой кислоты присоединен высокомолекулярный спирт фитол. Некоторые растения, вместо или наряду с хлорофиллом a, синтезируют его аналог, в котором этильная группа (—CH2—CH3) во II пиррольном кольце замещена винильной группой (—CH=CH2). Молекула такого хлорофилла имеет две винильных группы, одну в кольце I, другую — в кольце II.  

     Хлорофилл b отличается от хлорофилла a тем, что боковым заместителем у углеродного атома C3 во II пиррольном кольце вместо метильной является альдегидная группа —Н—С=О. В молекуле хлорофилла с пиррольные кольца не гидрированы, т. е. этот пигмент является классическим порфирином. Хлорофилл d и бактериохлорофидды c, d, e и g также относятся к группе хлоринов, а бактериохлорофиллы а и b-группе бактериохлоринов (тетрагидропорфиринам), так как в их молекулах II и IV пиррольные кольца гидрированы по С7-С8 и С17-С18 связям. Указанные хлорофиллы различаются также структурой боковых заместителей и высокоатомного спирта, присоединенного к тетрапиррольному макроциклу. 

     По  химической структуре хлорофиллы родственны природным комплексам порфиринов, содержащим железо цитохромам, красящему веществу крови — гемму, а также простетическим группам некоторых ферментов — пероксидаз и каталазы.

     Центральное место в молекуле хлорофилла, представляющей собой тетрапирролл, занимает металл магний. В одном из пирролльных  колец тетрапирролла СООН – группа (карбоксильная) замещена на остаток  метилового спирта (СН О), а в другом на остаток спирта фитола (С Н О). 

                                                         COOCH3

      Хлорофилл а: С32H30ON4Mg

                                                         COOC20H39 

                                                          COOCH3

     Хлорофилл b: C32H28O2N4Mg

                                                         COOC20H39

     Фотосинтез  – процесс превращения  световой энергии  в химическую с  помощью хлорофилла и использование  этой энергии для  синтеза органических веществ, образующихся из углекислого газа и воды.

     Схематически  это уравнение (уравнение ванн Ниля) можно изобразить следующим образом:

                               свет

      СО2  + 4Н2О                      [CH2O]  + 3Н2О + О2

                         хлорофилл 

     Роль  хлорофилла заключается в том, что на молекулу хлорофилла попадает солнечный луч и выбивает электрон из хлорофилла. Электрон подхватывается целой системой ферментов (железа) и выполняет следующую работу:

• фотолиз воды, то есть распад молекул воды – зависит от света.
• восстановление СО до углевода – не зависит от света.