Хлорофилл: строение молекулы, формы a и b

Хлорофилл - главный светопоглощающий пигмент зелёных растений, водорослей и цианобактерий. Вопрос «строение хлорофилла» на коллоквиуме почти всегда означает одно и то же: назвать две части молекулы, объяснить, что держит магний в центре, и показать, какой заместитель отличает хлорофилл a от хлорофилла b. Разберём молекулу по частям - от тетрапиррольного ядра до фитольного хвоста - и свяжем каждую деталь строения с тем, что пигмент делает в тилакоидной мембране. Ниже соберите свой вариант вопроса, чтобы получить разбор именно нужной формы пигмента.

Из чего состоит молекула хлорофилла

Хлорофилл - это магниевый комплекс замещённого порфирина, к которому сложноэфирной связью пришит длинный спирт. Отсюда двухчастная схема, которую и ждут в ответе:

• Гидрофильная «голова» - плоское тетрапиррольное (порфириновое) ядро с ионом $\mathrm{Mg^{2+}}$ в центре. Именно она поглощает свет.
• Гидрофобный «хвост» - остаток дитерпенового спирта фитола ($\mathrm{C_{20}H_{39}OH}$), присоединённый к пропионовой группе кольца D.

Брутто-формулы двух главных форм отличаются на один атом кислорода и два атома водорода:

$\text{хлорофилл } a:\ \mathrm{C_{55}H_{72}O_5N_4Mg}, \qquad \text{хлорофилл } b:\ \mathrm{C_{55}H_{70}O_6N_4Mg}$

Молекулярная масса хлорофилла a - около 893 г/моль, хлорофилла b - около 907 г/моль. Обе формы почти нерастворимы в воде и хорошо растворяются в ацетоне, этаноле и диэтиловом эфире: на этом построена классическая вытяжка пигментов по Крауту и их разделение хроматографией по Цвету.

Порфириновое ядро и атом магния

Ядро хлорофилла - это порфирин, точнее его частично восстановленная форма, хлорин. Пиррольные кольца обозначают буквами A, B, C, D; они соединены метиновыми мостиками в замкнутый макроцикл с системой сопряжённых двойных связей. Четыре атома азота смотрят внутрь цикла и удерживают катион магния: две связи ковалентные (по месту отщеплённых протонов пиррольных NH), две - координационные, донорно-акцепторные.

Рассчитать для своей задачи

Две особенности отличают хлорин хлорофилла от «обычного» порфирина, например от протопорфирина IX в составе гема:

1. Кольцо D восстановлено - двойная связь между C17 и C18 отсутствует. Из-за этого макроцикл теряет полную симметрию, длинноволновая полоса поглощения смещается в красную область и резко усиливается.
2. Есть пятое, циклопентановое кольцо E, замкнутое между C13 и C15 и несущее кетогруппу. Его иногда называют изоциклическим - в схемах строения его обязательно рисуют.

Магний в центре - ключ ко всей фотохимии: он стабилизирует плоскую геометрию макроцикла, повышает время жизни возбуждённого состояния и делает возможным перенос энергии между молекулами. Если ион магния вытеснить протонами (достаточно подкислить вытяжку каплей соляной кислоты), получается бурый феофитин - реакция служит быстрым качественным тестом на магний в пигменте. Сам порфириновый скелет универсален для биологии: тем же путём от 5-аминолевулиновой кислоты строится гем на основе протопорфирина IX, только на последнем шаге в кольцо садится железо, а не магний.

Фитольный хвост: якорь в мембране

Фитол - это разветвлённый ненасыщенный спирт из двадцати углеродов, остаток изопреноидного пути. Он присоединён сложноэфирной связью к пропионатному заместителю кольца D и в кадре молекулы выглядит как длинная «нога».

Хвост не участвует в поглощении света вообще: спектр феофорбида (ядра без фитола) почти совпадает со спектром целой молекулы. Его роль механическая - заякорить пигмент в липидном бислое тилакоида и правильно сориентировать плоскость макроцикла относительно мембраны. Благодаря фитолу хлорофилл не вымывается в строму и удерживается на белках светособирающего комплекса на строго заданном расстоянии от соседних молекул: именно расстояние и взаимная ориентация определяют скорость безызлучательного переноса энергии.

Хлорофилл a и хлорофилл b: в чём разница

Различие ровно одно и сидит на кольце B, у атома C7:

Рассчитать для своей задачи

Замена метила на альдегид - сильный электроноакцепторный сдвиг. Он оттягивает электронную плотность с макроцикла, из-за чего полосы поглощения хлорофилла b сдвигаются к середине спектра. Практический смысл прост: два пигмента вместе перекрывают более широкий диапазон, чем каждый по отдельности. Хлорофилл b собирает кванты в «провале» между полосами хлорофилла a и передаёт энергию на него - обратный перенос энергетически невыгоден. Поэтому в реакционных центрах фотосистем сидит только форма a: она и антенна, и донор электрона.

Другие формы: c, d, f и бактериохлорофиллы

Кроме a и b в природе встречаются:

• Хлорофилл c (диатомовые, бурые водоросли) - не хлорин, а настоящий порфирин, кольцо D не восстановлено; фитольного хвоста нет вовсе.
• Хлорофилл d (цианобактерия Acaryochloris marina) - вместо винильной группы при C3 стоит формильная, максимум поглощения уходит на 710 нм, в ближний инфракрасный диапазон.
• Хлорофилл f - описан в 2010 году, рекордсмен по «краснизне»: около 720 нм.
• Бактериохлорофиллы пурпурных бактерий построены на бактериохлорине: восстановлены уже два кольца, поглощение доходит до 870 нм.

Общий принцип: чем сильнее восстановлен макроцикл и чем более электроноакцепторные заместители на нём сидят, тем длиннее волна, которую пигмент способен поймать.

Почему хлорофилл зелёный: спектр поглощения

Сопряжённая система макроцикла даёт два характерных пика: интенсивную полосу Соре в синей области (около 430 нм у формы a) и Q-полосу в красной (около 662 нм). Между ними, в зелёно-жёлтом промежутке 500–570 нм, поглощение минимально - эти лучи листья отражают и пропускают, поэтому мы видим их зелёными. Зелёный цвет хлорофилла - это не то, что он ловит, а то, что он не смог поймать.

Рассчитать для своей задачи

Энергию кванта, отвечающего максимуму поглощения, считают по формуле Планка:

$E = \frac{hc}{\lambda} = \frac{6{,}626 \cdot 10^{-34} \cdot 3 \cdot 10^{8}}{662 \cdot 10^{-9}} \approx 3{,}0 \cdot 10^{-19}\ \text{Дж} \approx 1{,}9\ \text{эВ}$

В пересчёте на моль это примерно 180 кДж - как раз столько, сколько нужно, чтобы поднять электрон реакционного центра на уровень первичного акцептора. Отсюда, кстати, растёт и понятие квантового выхода фотосинтеза: сколько квантов такой энергии тратится на фиксацию одной молекулы CO₂.

Как строение связано с работой в тилакоиде

В мембране хлорофилл никогда не бывает свободным: он всегда нековалентно связан с белками светособирающих комплексов и ядер фотосистем. Плоские макроциклы уложены стопками почти параллельно, на расстоянии 1–2 нм друг от друга - при такой геометрии энергия возбуждения перескакивает по индуктивно-резонансному механизму Фёрстера за пикосекунды и стекает к паре молекул хлорофилла a реакционного центра (P680 и P700).

Свободный хлорофилл в клетке опасен: возбуждённый пигмент вне белкового окружения передаёт энергию кислороду и рождает синглетный кислород. Поэтому строение молекулы «заточено» под встраивание - гидрофобный хвост в бислой, гидрофильная голова в белковый карман. Где именно расположены эти мембраны и чем граны отличаются от тилакоидов стромы, разобрано в статье про строение хлоропласта.

Частые ошибки

• Пишут «железо в центре хлорофилла» - путают с гемом. В хлорофилле магний, в геме железо, скелет при этом похожий.
• Забывают циклопентановое кольцо E - на схеме строения его отсутствие сразу считают ошибкой.
• Называют хлорофилл порфирином без оговорки: у форм a, b, d, f ядро восстановлено, это хлорин; настоящий порфирин только у формы c.
• Приписывают фитолу поглощение света - хвост оптически неактивен, работает только макроцикл.
• Ищут разницу a и b в хвосте: хвост у них одинаковый, различие - заместитель при C7.

FAQ

Какой металл входит в состав хлорофилла и зачем он там нужен? Магний в виде иона $\mathrm{Mg^{2+}}$. Он держит макроцикл плоским, увеличивает время жизни возбуждённого синглетного состояния и обеспечивает перенос энергии. При вытеснении магния кислотой пигмент превращается в феофитин и буреет.

Чем хлорофилл a отличается от хлорофилла b? Одним заместителем при C7 кольца B: у формы a там метильная группа, у формы b - альдегидная. Отсюда сдвиг максимумов поглощения, другой оттенок и разные роли: a работает в реакционном центре, b - только в антенне.

Почему листья зелёные, если хлорофилл поглощает свет? Потому что поглощает он не весь свет: пики приходятся на синюю (около 430 нм) и красную (около 660 нм) области, а зелёные лучи 500–570 нм почти не поглощаются и отражаются к наблюдателю.

Коротко

Строение хлорофилла держится на двух блоках: плоское хлориновое ядро из четырёх пиррольных колец с ионом магния в центре и дополнительным циклопентановым кольцом E - и длинный фитольный хвост, заякоривающий пигмент в мембране тилакоида. Ядро поглощает свет и даёт двухпиковый спектр с провалом в зелёной области, хвост держит молекулу в бислое. Формы a и b различаются единственным заместителем при C7, и этой мелочи хватает, чтобы развести их по спектру и по функции: одна ведёт фотохимию, вторая только собирает кванты.