葉綠素 a b 化學(xué)本質(zhì)的區(qū)別

【專家解說】：葉綠素分為葉綠素a、葉綠素b、葉綠素c、葉綠素d、原葉綠素和細(xì)菌葉綠素等。 葉綠素名稱 存在場(chǎng)所 最大吸收光帶 葉綠素a 所有綠色植物中 紅光和藍(lán)紫光 葉綠素b 高等植物、綠藻、眼蟲藻、管藻 紅光和藍(lán)紫光 葉綠素c 硅藻、甲藻、褐藻 紅光和藍(lán)紫光 葉綠素d 紅藻 紅光和藍(lán)紫光 原葉綠素 黃化植物（幼苗期） 近于紅光和藍(lán)紫光 細(xì)菌葉綠素 紫色細(xì)菌 紅光和藍(lán)紫光 化學(xué)結(jié)構(gòu) 葉綠素分子結(jié)構(gòu) 19世紀(jì)初，俄國(guó)化學(xué)家、色層分析法創(chuàng)始人M.C.茨韋特用吸附色層光和作用分析法證明高等植物葉子中的葉綠素有兩種成分。德國(guó)H.菲舍爾等經(jīng)過多年的努力，弄清了葉綠素的復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)。1960年美國(guó)R.B.伍德沃德領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室合成了葉綠素a。至此,葉綠素的分子結(jié)構(gòu)得到定論。 葉綠素分子是由兩部分組成的：核心部分是一個(gè)卟啉環(huán)(porphyrin ring)，其功能是光吸收；另一部分是一個(gè)很長(zhǎng)的脂肪烴側(cè)鏈，稱為葉綠醇(phytol)，葉綠素用這種側(cè)鏈插入到類囊體膜。與含鐵的血紅素基團(tuán)不同的是，葉綠素卟啉環(huán)中含有一個(gè)鎂原子。葉綠素分子通過卟啉環(huán)中單鍵和雙鍵的改變來吸收可見光。各種葉綠素之間的結(jié)構(gòu)差別很小。如葉綠素a和b僅在吡咯環(huán)Ⅱ上的附加基團(tuán)上有差異：前者是甲基，后者是甲醛基。細(xì)菌葉綠素和葉綠素a不同處也只在于卟啉環(huán)Ⅰ上的乙烯基換成酮基和環(huán)Ⅱ上的一對(duì)雙鍵被氫化。 [編輯本段]化學(xué)性質(zhì) 高等植物葉綠體中的葉綠素主要有葉綠素a 和葉綠素b 兩種。它們不溶于水，而溶于有機(jī)溶劑，如乙醇、丙酮、乙醚、氯仿等。葉綠素a分子式：C55H72O5N4Mg；葉綠素 葉綠素?zé)晒鈨xb分子式：C55H70O6N4Mg。在顏色上，葉綠素a 呈藍(lán)綠色，而葉綠素b 呈黃綠色。按化學(xué)性質(zhì)來說，葉綠素是葉綠酸的酯，能發(fā)生皂化反應(yīng)。葉綠酸是雙羧酸，其中一個(gè)羧基被甲醇所酯化，另一個(gè)被葉醇所酯化。 葉綠素分子含有一個(gè)卟啉環(huán)的“頭部”和一個(gè)葉綠醇的“尾巴”。鎂原子居于卟啉環(huán)的中央，偏向于帶正電荷，與其相聯(lián)的氮原子則偏向于帶負(fù)電荷，因而卟啉具有極性，是親水的，可以與蛋白質(zhì)結(jié)合。葉醇是由四個(gè)異戊二烯單位組成的雙萜，是一個(gè)親脂的脂肪鏈，它決定了葉綠素的脂溶性。葉綠素不參與氫的傳遞或氫的氧化還原，而僅以電子傳遞（即電子得失引起的氧化還原）及共軛傳遞（直接能量傳遞）的方式參與能量的傳遞。 卟啉環(huán)中的鎂原子可被氫離子、銅離子、鋅離子所置換。用酸處理葉片，氫離子易進(jìn)入葉綠體，置換鎂原子形成去鎂葉綠素，使葉片呈褐色。去鎂葉綠素易再與銅離子結(jié)合，形成銅代葉綠素，顏色比原來更穩(wěn)定。人們常根據(jù)這一原理用醋酸銅處理來保存綠色植物標(biāo)本。 葉綠醇是親脂的脂肪族鏈，由于它的存在而決定了葉綠素分子的脂溶性，使之溶于丙酮、酒精、乙醚等有機(jī)溶劑中。由于在結(jié)構(gòu)上的差別，葉綠素a呈藍(lán)綠色，b呈黃綠色。在光下易被氧化而退色。葉綠素是雙羧酸的酯，與堿發(fā)生皂化反應(yīng)。 葉綠素不很穩(wěn)定，光、酸、堿、氧、氧化劑等都會(huì)使其分解。酸性條件下，葉綠素分子很容易失去卟啉環(huán)中的鎂成為去鎂葉綠素。葉綠素溶液能進(jìn)行部分類似光合作用的反應(yīng)，在光下使某些化合物氧化或還原。人工制備的葉綠素膜在光下能產(chǎn)生光電位和光電流，也能催化某些氧化還原反應(yīng)。 [編輯本段]光和作用 光合作用是指綠色植物通過葉綠體，利用光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成儲(chǔ)落葉存著能量的有機(jī)物，并且釋放出氧的過程。光合作用的第一步是光能被葉綠素吸收并將葉綠素離子化。產(chǎn)生的化學(xué)能被暫時(shí)儲(chǔ)存在三磷酸腺苷(ATP)中，并最終將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳水化合物和氧氣。 1864年，德國(guó)科學(xué)家薩克斯做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：把綠色葉片放在暗處幾小時(shí)，目的是讓葉片中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗掉。然后把這個(gè)葉片一半曝光，另一半遮光。過一段時(shí)間后，用碘蒸氣處理葉片，發(fā)現(xiàn)遮光的那一半葉片沒有發(fā)生顏色變化，曝光的那一半葉片則呈深藍(lán)色。這一實(shí)驗(yàn)成功地證明了綠色葉片在光合作用中產(chǎn)生了淀粉。 1880年，德國(guó)科學(xué)家恩吉爾曼用水綿進(jìn)行了光合作用的實(shí)驗(yàn)：把載有水綿和好氧細(xì)菌的臨時(shí)裝片放在沒有空氣并且是黑暗的環(huán)境里，然后用極細(xì)的光束照射水綿。通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，好氧細(xì)菌只集中在葉綠體被光束照射到的部位附近；如果上述臨時(shí)裝片完全暴露在光下，好氧細(xì)菌則集中在葉綠體所有受光部位的周圍。恩吉爾曼的實(shí)驗(yàn)證明：氧是由葉綠體釋放出來的，葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所。 將一片脫去淀粉的紫羅蘭葉片放在陽光下數(shù)小時(shí)之后用碘試劑檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)只有葉片上綠色的區(qū)域變色而白色區(qū)域沒有，也就是說只有綠色區(qū)域有淀粉存在。這顯示了光合作用在缺乏葉綠素的情況下無法進(jìn)行，葉綠素存在是光合作用的必要條件。 [編輯本段]熒光現(xiàn)象和磷光現(xiàn)象 葉綠素的可見光波段的吸收光譜，在藍(lán)光和紅光處各有一顯著的吸收峰。吸收峰的位置和消光值的大小隨葉綠素種類不同而有所不同。葉綠素a最大的吸收光的波長(zhǎng)在420-663nm，葉綠素b 的最大吸收波長(zhǎng)范圍在460-645nm。當(dāng)葉綠素分子位于葉綠體膜上時(shí)，由于葉綠素與膜蛋白的相互作用，會(huì)使光吸收的特性稍有改變。 葉綠素的酒精溶液在透射光下為翠綠色，而在反射光下為棕紅色。這個(gè)紅落葉光就是葉綠素受光激發(fā)后發(fā)射的熒光。這個(gè)現(xiàn)象就是熒光現(xiàn)象。其主要原理是由于葉綠素有兩個(gè)不同的吸收峰。葉綠素吸收光的能力極強(qiáng)，如果把葉綠素的丙酮提取液放在光源與分光鏡之間，可以看到光譜中有些波長(zhǎng)的光被吸收了。因此，在光譜上就出現(xiàn)了黑線或暗帶，這種光譜叫吸收光譜。葉綠素吸收光譜的最強(qiáng)區(qū)域有兩個(gè)：一個(gè)是在波長(zhǎng)為640nm-660nm的紅光部分，另一個(gè)在波長(zhǎng)為430nm-450nm的藍(lán)紫光部分。對(duì)其他光吸收較少，其中對(duì)綠光吸收最少，由于葉綠素吸收綠光最少，所以葉綠素的溶液呈綠色。葉綠素的丙酮提取液在透射光下是翠綠色的，而在反射光下是綜紅色的。 葉綠素溶液的熒光可達(dá)吸收光的10%左右。而鮮葉的熒光程度較低，指占其吸收光的0.1%-1%左右。 熒光效應(yīng)在植物生理學(xué)中有廣泛的應(yīng)用。用這個(gè)效應(yīng)可以研究植物的抗逆生理。因?yàn)樵谀婢诚?，植物的葉綠素會(huì)發(fā)生變換，研究其熒光，可以作為植物受逆境脅迫程度的指標(biāo)。另外，還有一個(gè)磷光效應(yīng)。就是當(dāng)熒光出現(xiàn)后，立即中斷光源，用靈敏的光學(xué)儀器還可在短時(shí)間內(nèi)看到微弱紅光，這就是磷光。 [編輯本段]生物合成與代謝 葉綠素a的生物合成途徑，是由琥珀酰輔酶A和甘氨酸縮合成δ-氨基乙酰丙酸，兩個(gè)δ-氨基乙酰丙酸縮合成吡咯衍生物膽色素原，然后再由4個(gè)膽色素原聚合成一個(gè)卟啉環(huán)——原卟啉Ⅳ 綠葉，原卟啉Ⅳ是形成葉綠素和亞鐵血紅素的共同前體，與亞鐵結(jié)合就成亞鐵血紅素，與鎂結(jié)合就成鎂原卟啉。鎂原卟啉再接受一個(gè)甲基，經(jīng)環(huán)化后成為具有第Ⅴ環(huán)的原脫植醇基葉綠素，后者經(jīng)光還原、酯化等步驟而形成葉綠素a。 落葉 葉綠素在活體內(nèi)也和其他物質(zhì)一樣處于不斷更新狀態(tài)。它被葉綠素酶分解，或經(jīng)光氧化而漂白。深秋時(shí)許多樹種葉片呈美麗的紅色，就是因?yàn)檫@時(shí)葉綠素降解速度大于合成速度，含量下降，原來被葉綠素所掩蓋的類胡蘿卜素、花色素的顏色顯示出來的緣故。 在植物衰老和儲(chǔ)藏過程中，酶能引起葉綠素的分解破壞。這種酶促變化可分為直接作用和間接作用兩類。直接以葉綠素為底物的只有葉綠素酶，催化葉綠素中植醇酯鍵水解而產(chǎn)生脫植醇葉綠素。脫鎂葉綠素也是它的底物，產(chǎn)物是水溶性的脫鎂脫植葉綠素，它是橄欖綠色的。葉綠素酶的最適溫度為60-82℃，100℃時(shí)完全失活。起間接作用的有蛋白酶、酯酶、脂氧合酶、過氧化物酶、果膠酯酶等。蛋白酶和酯酶通過分解葉綠素蛋白質(zhì)復(fù)合體，使葉綠素失去保護(hù)而更易遭到破壞。脂氧合酶和過氧化物酶可催化相應(yīng)的底物氧化，其間產(chǎn)生的物質(zhì)會(huì)引起葉綠素的氧化分解。果膠酯酶的作用是將果膠水解為果膠酸，從而提高了質(zhì)子濃度，使葉綠素脫鎂而被破壞。 在活體綠色植物中，葉綠素既可發(fā)揮光合作用，又不會(huì)發(fā)生光分解。但在加工儲(chǔ)藏過程中，葉綠素經(jīng)常會(huì)受到光和氧氣作用，被光解為一系列小分子物質(zhì)而褪色。光解產(chǎn)物是乳酸、檸檬酸、琥珀酸、馬來酸以及少量丙氨酸。因此，正確選擇包裝材料和方法以及適當(dāng)使用抗氧化劑，以防止光氧化褪色。 [編輯本段]提取 葉綠素提取的準(zhǔn)備工作是在一個(gè)半暗的房間里，室溫保持在25℃。提取步驟如下： (1) 取1000克新鮮的綠葉，在韋氏攪切器中粉碎。 (2)將粉碎的1000克綠葉放進(jìn)加有少量的碳酸鈣的丙酮中(溫度20℃)進(jìn)行萃取，直到過濾、清洗后的葉子碎片為無色。 (3)將過濾后的丙酮提取液放到盛有1升石油醚和100ml丙酮的漏斗中，然后輕輕地旋轉(zhuǎn)，同時(shí)加放蒸餾水直到分層為止。水層的大部分丙酮和水溶雜質(zhì)被丟棄，只剩石油醚溶液。 (4)將石油醚溶液用蒸餾水再次凈化后，用含有石油醚和0.01克草酸的200ml80%的甲醇溶液清洗5次以上，最后得到黃綠色懸浮液。 (5)用無水硫酸鈉對(duì)懸浮液進(jìn)行干燥，并將其滲入到3cm厚的蔗糖粉末制成柱中，然后用石油醚清洗沉淀的色素去掉類胡蘿卜素，使之只含有天然的葉綠素。 (6)含有天然葉綠素的蔗糖柱分兩層，綠層有4-10mm的葉綠素b層，另一藍(lán)層為2-6mm的葉綠素a層。 (7)將位于藍(lán)層正中的部分(約占藍(lán)層的一半) 放入醚中，對(duì)此懸浮液進(jìn)行過濾、洗提，用蒸餾水清洗，用硫酸鈉干燥，再用器皿進(jìn)行過濾后，得到葉綠素a。 (8)將(6)中的綠層中間部分移出，迅速放入醚中過濾、洗提，制成葉綠素b醚溶液。 [編輯本段]用途 造血功能 諾貝爾得獎(jiǎng)人Dr.Richard Willstatter和Dr.Hans Fisher發(fā)現(xiàn)：葉綠素的分子與人體的紅血球分子在結(jié)構(gòu)上很是相似，唯一的分別就是各自的核心為鎂原子與鐵原子。因此，飲用葉綠素對(duì)產(chǎn)婦與因意外失血者會(huì)有很大的幫助。 幫助解除體內(nèi)殺蟲劑與藥物殘?jiān)? 營(yíng)養(yǎng)學(xué)家Bernard Jensen博士指出，葉綠素能除去殺蟲劑與藥物殘?jiān)亩舅?，并能與輻射性物質(zhì)結(jié)合而將之排出體外。此外，他也發(fā)現(xiàn)一般上健康的人會(huì)比病患者擁有較高的血球計(jì)數(shù)，但通過吸收大量的葉綠素之后，病患者的血球計(jì)數(shù)就會(huì)增加，健康狀況也會(huì)有所改善。 養(yǎng)顏美膚 新英國(guó)醫(yī)藥期刊曾經(jīng)做過這樣的報(bào)導(dǎo)：葉綠素有助于克制內(nèi)部感染與皮膚問題。美國(guó)外科雜志報(bào)導(dǎo)：Temple大學(xué)在1200名病人身上，嘗試以葉綠素醫(yī)治各種病癥，效果極佳。