В настоящее время известно несколько различных форм хлорофилла, которые обозначают латинскими буквами. Хлоропласты высших растений содержат хлорофилл а и хлорофилл b. Они были идентифицированы русским ученым М.С. Цветом (1906) с помощью разработанного им метода хроматографии. Структурная формула хлорофилла, предложенная Г. Фишером (1939), получила окончательное подтверждение в 1960 г. в результате двух независимо проведенных работ в США и ФРГ по искусственному синтезу хлорофилла а.
Хлорофилл — сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, у которой одна карбоксильная группа этерифицирована остатком метилового спирта‚ а другая – остатком непредельного спирта фитола:
На рисунке 8, дана структурная формула хлорофилла а. Четыре пиррольных кольца (I—IV) соединены между собой метановыми мостиками (α‚β‚ γ‚ ε), образуя порфириновое ядро. Атомы азота пиррольных колец четырьмя координационными связями взаимодействуют с атомом Mg. В структуре порфиринового ядра есть также циклопентановое кольцо, содержащее химически активную карбонильную группу. Структура, состоящая из тетрапиррольного и циклопентанового колец, получила название форбина.
Порфириновое кольцо представляет собой систему из девяти пар чередующихся двойных и одинарных, т. е. конъюгированных, связей с 18 делокализованными π-электронами. Хлорофилл b отличается от хлорофилла а тем, что у третьего углерода второго пиррольного кольца вместо метильной находится альдегидная группа. Структура хлорофилла, лишенная фитола, называется хлорофиллидом. При замещении атома магния протонами водорода образуется феофитин.
Согласно закону Гротгуса — одному из фундаментальных законов светохимии фотохимически деятельны только поглощенные лучи. Поэтому изучение спектров поглощения пигментов, и в первую очередь хлорофилла, является решающим для понимания механизма фотосинтеза и разработки путей его регуляции. Не случайно этой ключевой проблеме посвящен классический труд К.А. Тимирязева «Об усвоении света растениями».
Отличительной особенностью всех пигментов является наличие в их составе системы слабо удерживаемых делокализованных электронов, возбуждаемых квантами видимой части солнечного спектра. Это лежит в основе их свойства — избирательного поглощения света. Резко выраженные максимумы поглощения хлорофиллов находятся в сине-фиолетовой и красной частях спектра (рис. 9). Максимумы поглощения раствора хлорофилла а в этиловом спирте — 428—430 и 660—663 нм соответственно, хлорофилла b — 452—455 и 642—644 нм. Хлорофиллы очень слабо поглощают оранжевые и желтые лучи и совсем не поглощают зеленые и инфракрасные. Поэтому раствор хлорофилла а имеет сине-зеленый цвет, хлорофилла b — желто-зеленый.
Поглощение в сине-фиолетовой части спектра обусловлено системой конъюгированных 9 пар одинарных и двойных связей порфиринового ядра молекулы хлорофилла с 18 делокализованными π-электронами, которые возбуждаются квантами с энергией 4,5 .10-19 Дж, соответствующей этим лучам. Поглощение в красной области спектра (энергия кванта 3 .10-19 Дж) связано с гидрированием двойной связи у C7—C8 в IV пиррольном кольце (при восстановлении протохлорофиллида до хлорофиллида), присутствием магния в порфириновом ядре и наличием циклопентанового кольца (V). Эти же особенности структуры способствуют снижению поглощения в желтой и зеленой частях спектра.
Рис. 8. Структурная формула хлорофилла
Рис. 9. Спектры поглощения пигментов хлоропластов
Даже небольшое изменение в строении молекул приводит к значительным различиям в положении максимумов поглощения. Так, у хлорофилла b, отличающегося от хлорофилла а заменой метильной группы на альдегидную, максимумы поглощения света оказываются более сближенными за счет смещения сине-фиолетового в длинноволновую, а красного — в коротковолновую области. Кроме того, хлорофилл b более полно использует сине-фиолетовый свет, чем хлорофилл а; в красных лучах преимущества имеет хлорофилл а. Замещение магния протонами при обработке хлорофилла кислотой приводит к образованию феофитина, имеющего ослабленный красный максимум поглощения света и буро-зеленый цвет. Удаление остатков фитола и метилового спирта путем щелочного гидролиза слабо сказывается на оптических свойствах хлорофилла.
Существенное влияние на положение максимумов спектра поглощения оказывают природа растворителя и взаимодействие молекул хлорофилла друг с другом, а также с другими пигментами, белками и липидами в составе хлоропластов. У агрегированных молекул хлорофилла, взаимодействующих с белками, красный максимум поглощения сдвинут в более длинноволновую часть спектра. Степень связывания определяет точный максимум поглощения света.
Раствор хлорофилла обладает яркой вишнево-красной флуоресценцией — излучением поглощенных квантов света. В соответствии с правилом Стокса флуоресценция сдвинута в более длинноволновую часть по сравнению с поглощением света, максимум флуоресценции 650—668 нм. Хлорофилл в живом листе флуоресцирует слабо. Это связано с тем, что энергия поглощенных квантов в основном преобразуется в химическую, причем по степени флуоресценции листа можно судить об эффективности фотосинтеза. Чем интенсивнее флуоресценция, тем ниже КПД использования поглощенной энергии.
Механизмы избирательного поглощения света и флуоресценции изучены достаточно хорошо. Поглощение кванта света сопровождается переходом в более богатое энергией короткоживущее возбужденное состояние, связанное с переходом электрона на более удаленную от ядра орбиталь. Электронные орбитали атомов характеризуются определенными энергетическими уровнями, возрастающими по мере удаления от ядра. Те кванты света, энергия которых соответствует разности энергий между двумя орбиталями, поглощаются с переходом электрона на более дальнюю орбиталь. Поэтому могут поглощаться только кванты света с совершенно определенной длиной волны. В отличие от атома возможные энергетические состояния молекул нельзя описать точно фиксированными энергетическими уровнями, они характеризуются широкими полосами в спектрах поглощения (рис. 10).
Рис. 10. Энергетические состояния молекулы хлорофилла и различные пути использования энергии электронного возбуждения. (Цифры указывают время жизни каждого из состояний молекулы.)
В органических молекулах почти все электроны спарены, т. е. находятся в одном и том же энергетическом состоянии, обладая противоположными спинами (основное синглетное энергетическое состояние — S0). Поглощение молекулой хлорофилла кванта красного света с энергией 170 кДж/моль квантов приводит к первому синглетному электронно-возбужденному состоянию — S1 время существования которого примерно 10-9 с. Возбужденная молекула хлорофилла переходит в стабильное состояние путем возвращения электрона на исходную орбиталь. Поглощенная энергия при этом может расходоваться различными способами: рассеиванием теплоты; потерей в виде излучения; возбуждением соседних молекул пигментов (перенос энергии к фотохимическим центрам); совершением фотохимической работы. Возможны также потеря части энергии в виде теплоты и переход молекулы из синглетного в метастабильное триплетное возбужденное состояние (с обращением спина электрона). Триплетное состояние длится гораздо дольше (> 10-4 с). Из триплетного состояния молекула может вернуться в основное за счет более длительного, чем флуоресценция, слабого длинноволнового свечения — фосфоресценции или направив энергию на фотохимические реакции.
Поглощение кванта в сине-фиолетовой области спектра (содержание энергии 300 кДж/моль квантов) приводит к возникновению исключительно краткого (< 10-12 с) второго возбужденного синглетного состояния (S2). За счет выделения части энергии в виде теплоты молекула переходит в S1, и дальнейшие события соответствуют возбуждению красным светом. Поэтому поглощение света в синей и красной областях дает одинаковый спектр флуоресценции (красный), а также равные количества фотохимической работы, несмотря на неодинаковое содержание энергии у поглощенных квантов. Этим объясняется более высокая эффективность красных участков солнечного спектра, о которой писал еще К.А. Тимирязев. Он предположил, что хлорофилл способен к окислительно-восстановительному превращению. Впервые реакция фотовосстановления хлорофилла была осуществлена в 1948 г. А.А. Красновским в модельных опытах. В качестве донора электронов использована аскорбиновая кислота.
Таким образом, молекула хлорофилла благодаря структурным изменениям и физико-химическим особенностям способна выполнять три важнейшие функции: избирательно поглощать энергию света; трансформировать ее в энергию электронного возбуждения (или запасать ее в виде энергии электронного возбуждения); фотохимически преобразовать энергию возбужденного состояния в химическую энергию. Для функционирования молекулы хлорофилла существенное значение имеет ее пространственная организация. Магний-порфириновое кольцо молекулы представляет собой почти плоскую пластинку толщиной 0,42 нм и площадью 1 нм2. Это гидрофильная фотоактивная часть молекулы хлорофилла. Длинный (2 нм) алифатический остаток фитола, образующий угол с порфириновым кольцом, — ее гидрофобный полюс, необходимый для взаимодействия молекулы хлорофилла с гидрофобными участками мембранных белков и липидов.