Chlorofyl: definícia, funkcia a význam pri fotosyntéze rastlín

Chlorofyl je potrebný na fotosyntézu, ktorá umožňuje rastlinám získavať energiu zo svetla.

Molekuly chlorofylu sú usporiadané v membránach chloroplastov a okolo nich. Plní dve hlavné funkcie. Funkciou väčšiny chlorofylu (až niekoľko stoviek molekúl na jeden fotosystém) je absorbovať svetlo a prenášať túto svetelnú energiu do reakčných centier. Tieto pigmenty sú pomenované podľa vlnovej dĺžky (v nanometroch) ich absorpčného maxima červenej farby. Tieto chlorofylové pigmenty sa dajú oddeliť v jednoduchom pokuse s papierovou chromatografiou.

Úlohou reakčného centra chlorofylu je využívať energiu, ktorá sa naň prenáša z ostatných chlorofylových pigmentov, na špecifickú redoxnú reakciu. Pri tejto reakcii chlorofyl odovzdáva elektrón do elektrónového transportného reťazca. Touto reakciou produkujú fotosyntetické organizmy, ako sú rastliny, plyn O₂ a je zdrojom prakticky všetkého O₂ v zemskej atmosfére. Fotosystém I zvyčajne pracuje v sérii s fotosystémom II.

Tok elektrónov produkovaných chlorofylovými pigmentmi reakčného centra sa využíva na presun iónov H⁺ cez membránu, čím sa vytvára chemiosmotický potenciál využívaný najmä na výrobu chemickej energie ATP; a tieto elektróny nakoniec redukujú NADP⁺ na NADPH, univerzálny reduktant používaný na redukciu CO₂ na cukry, ako aj na iné biosyntetické redukcie.

Zistilo sa, že zelený morský slimák Elysia chlorotica využíva chlorofyl, ktorý zjedol, na vlastnú fotosyntézu. Tento proces je známy ako kleptoplastika a u žiadneho iného živočícha sa táto schopnosť nezistila.

Prečo zelená a nie čierna?

Stále nie je presne jasné, prečo sa rastliny vyvinuli prevažne ako zelené. Zelené rastliny väčšinou odrážajú zelené a takmer zelené svetlo, namiesto toho, aby ho absorbovali. Iné časti systému fotosyntézy stále umožňujú zeleným rastlinám využívať zelené svetelné spektrum (napr. prostredníctvom štruktúry listov zachytávajúcej svetlo, karotenoidov atď.) Zelené rastliny nevyužívajú veľkú časť viditeľného spektra čo najefektívnejšie. Čierna rastlina môže absorbovať viac žiarenia, čo by mohlo byť veľmi užitočné, nehľadiac na problémy s likvidáciou tohto dodatočného tepla (napr. niektoré rastliny musia počas horúcich dní uzavrieť svoje otvory, tzv. stómie, aby nestratili príliš veľa vody). Presnejšie povedané, otázka znie, prečo jediná molekula pohlcujúca svetlo, ktorá sa v rastlinách používa na napájanie, je zelená a nie jednoducho čierna.

Biológ John Berman povedal, že evolúcia nie je inžiniersky proces, takže má často obmedzenia, ktoré inžinier alebo iný dizajnér nemá. Aj keby boli čierne listy lepšie, obmedzenia evolúcie môžu zabrániť tomu, aby sa druhy stali čo najefektívnejšími. Berman napísal, že dosiahnuť pigmenty, ktoré fungujú lepšie ako chlorofyl, by mohlo byť veľmi ťažké. Predpokladá sa totiž, že všetky vyššie rastliny (embryofyty) sa vyvinuli zo spoločného predka, ktorým je druh zelenej riasy - takže chlorofyl sa vyvinul len raz (spoločný predok).

Shil DasSarma, mikrobiálny genetik z Marylandskej univerzity, poukázal na to, že druhy archeí používajú na získavanie energie zo zeleného spektra inú molekulu pohlcujúcu svetlo, retinal. Niektorí vedci sa domnievajú, že archae pohlcujúce zelené svetlo boli kedysi v zemskom prostredí najrozšírenejšie. Tým sa mohla otvoriť "medzera" pre zelené organizmy, ktoré by absorbovali iné vlnové dĺžky slnečného svetla. Je to len možnosť a Berman napísal, že vedci stále nie sú presvedčení o jednom vysvetlení.

Chlorofyl je pigment chlorín, ktorý je štruktúrou podobný a vzniká rovnakou metabolickou cestou ako iné porfyrínové pigmenty, napríklad hem. V strede chlorínového kruhu sa nachádza horčíkový ión. V štruktúrach zobrazených v tomto článku sú niektoré ligandy pripojené k centru Mg²⁺ kvôli prehľadnosti vynechané. Chlorínový kruh môže mať niekoľko rôznych bočných reťazcov, zvyčajne vrátane dlhého fytolového reťazca. V prírode sa vyskytuje niekoľko rôznych foriem, ale najrozšírenejšou formou v suchozemských rastlinách je chlorofyl a. Všeobecnú štruktúru chlorofylu a vypracoval Hans Fischer v roku 1940. V roku 1960, keď už bola známa väčšina stereochémie chlorofylu a, Robert Burns Woodward uverejnil úplnú syntézu molekuly. V roku 1967 Ian Fleming dokončil posledné zostávajúce stereochemické objasnenie a v roku 1990 Woodward so spoluautormi uverejnil aktualizovanú syntézu. V roku 2010 bol v siniciach a iných kyslíkatých mikroorganizmoch, ktoré tvoria stromatolity, možno objavený fotosyntetický pigment s názvom chlorofyl f, ktorý sa nachádza v blízkosti infračerveného svetla.

Rôzne štruktúry chlorofylu sú zhrnuté nižšie:

Merače obsahu chlorofylu merajú optickú absorpciu listu na odhad obsahu chlorofylu. Molekuly chlorofylu absorbujú v modrom a červenom pásme, ale nie v zelenom a infračervenom pásme. Merače obsahu chlorofylu merajú množstvo absorpcie v červenom pásme, aby odhadli množstvo chlorofylu prítomného v liste. Na kompenzáciu rôznej hrúbky listov merajú chlorofylmetre aj absorpciu v infračervenom pásme, ktoré nie je chlorofylom výrazne ovplyvnené.

Obsah chlorofylu v listoch sa dá nedeštruktívne merať pomocou ručných batériových meračov. Merania vykonávané týmito prístrojmi sú jednoduché, rýchle a relatívne lacné. V súčasnosti majú veľkú kapacitu na ukladanie údajov, priemerovanie a grafické zobrazenie.

Spektrofotometria

Meranie absorpcie svetla komplikuje rozpúšťadlo použité na jeho extrakciu z rastlinného materiálu, ktoré ovplyvňuje získané hodnoty,

• V dietyléteri má chlorofyl a približné absorpčné maximá 428 nm a 660 nm, zatiaľ čo chlorofyl b má približné maximá 453 nm a 642 nm.
• Absorpčný vrchol chlorofylu a je pri 666 nm.

U mnohosemenných rastlín je posledný krok syntézy chlorofylu závislý od svetla. Takéto rastliny sú bledé (etiolované), ak sa pestujú v tme. Cievnaté rastliny a zelené riasy majú ďalší enzým nezávislý od svetla a namiesto toho rastú v tme zelené.

Chloróza je stav, keď listy nevytvárajú dostatok chlorofylu, a preto žltnú. Chloróza môže byť spôsobená nedostatkom železa - tzv. železitou chlorózou - alebo nedostatkom horčíka či dusíka. Na tieto druhy chlorózy má niekedy vplyv aj pH pôdy. Mnohé rastliny sú prispôsobené na rast v pôde s určitými hodnotami pH a od toho môže závisieť ich schopnosť prijímať živiny z pôdy. Chlorózu môžu spôsobovať aj patogény vrátane vírusov, baktérií a hubových infekcií alebo hmyz, ktorý saje šťavy.

• Xantofil