klorofyll

Klorofyll er et grønt pigment som er nødvendig for å kunne utføre fotosyntese. Klorofyll sørger for at energien som absorberes fra lys blir overført til kjemisk energi som brukes ved assimilasjonen av karbondioksid i fotosyntesen. I planteceller finnes klorofyll i tylakoidmembraner i kloroplastene.

Klorofyll dannes av blomsterplantene bare i lys og når de nødvendige mineralstoffene (som nitrogen, magnesium, jern, mangan og andre) er til stede. Dersom et av disse stoffene mangler, oppstår klorose. Kimplanter av nakenfrøete planter kan danne klorofyll også i mørke.

Det finnes flere typer klorofyll som brukes av de ulike plantene og organismene som har fotosyntese. Ulike typer klorofyll absorberer ulike bølgelengder lys. Dermed har de karakteristiske absorpsjonsspektra, som vil si at spesielle områder av lysspekteret absorberes særlig sterkt, og de andre fargene blir synlige.

Typer klorofyll

Det finnes flere typer klorofyll, og noen organismer har flere typer:

• klorofyll a er det primære fotosyntesepigmentet i planter, alger og blågrønnbakterier.
• klorofyll b lages fra klorofyll a og er et hjelpepigment.
• klorofyll c
• klorofyll d
• bakterieklorofyller er fra fotosyntetiske bakterier som purpurbakterier og grønne bakterier, unntatt blågrønnbakterier. Det finnes både bakterieklorofyll a og bakterieklorofyll b.

Grønnalger, moser, karsporeplanter og frøplanter har klorofyll a med blågrønn farge og klorofyll b med gulgrønn farge.

Brunalger, fureflagellater og kiselalger har klorofyll a og c.

Rødalger har klorofyll a og d.

Klorofyllene har karakteristiske absorpsjonsspektra, det vil si at spesielle områder av lysspekteret absorberes særlig sterkt: ett i rødt lys og ett i blått. Bakterieklorofyllene absorberer blått lys og ved lengre bølgelengder i rødt og infrarødt.

Molekylstruktur

Klorofyllmolekylet består av fire pyrrolringer som sammen danner en porfyrinstruktur med konjugerte karbon dobbeltbindinger, og et magnesiumatom (Mg²⁺) chelatert i midten. Til porfyrinringen er en hale av fytol, et 20-karbon alkohol laget fra isopren, festet til ringen med en esterbinding.

Hvorfor kan klorofyll fange opp synlig lys ?

Organiske ringstrukturer med konjugerte dobbeltbindinger, det vil si alternerende karbon-karbon dobbeltbindinger (-C=C-) og karbon enkeltbindinger, er stabilisert via resonans. Jo flere dobbeltbindinger det er i et molekyl, desto mer skifter absorbsjonen av elektromagnetisk stråling fra ultrafiolett mot synlig lys. Konjugerte dobbeltbindinger gjør at de eksiterte energinivåene til elektronene splittes i flere nivåer og det blir mindre energisprang mellom grunnivå og eksitert nivå i klorofyll. I porfyrinkjernen med de fire tetrapyrrolringene i klorofyll, er det i alt tolv konjugerte karbon-karbon dobbeltbindinger, med 24 pi (π)-elektroner, hvor hvert av disse elektronene har en mulighet til å bli eksitert til et høyere energinivå hvis det blir truffet av et foton eller lyskvant.

Farge på andre pigmenter i planter

I karotenoidet betakaroten er det i alt elleve konjugerte karbon-karbon dobbeltbindinger med 22 π-elektroner, og molekylet blir guloransje når blått lys blir absorbert. Hem i hemoglobin har 13 karbon-karbon dobbeltbindinger med i alt 26 π-elektroner og er et rødfarget molekyl. I alle organiske pigmenter som har farger, inkludert antocyaniner, betacyaniner og melaniner, finner man alternerende karbon-karbon dobbeltbindinger som gjør at synlig lys har nok energi til å eksitere molekylet, noe av lyset blir absorbert og resten blir reflektert eller transmittert.

Hvorfor har klorofyll grønn farge ?

Klorofyll har to sterke absorpsjonsbånd som absorberer rødt og blåfiolett lys, og mindre i grønt, som gir refleksjon og transmisjon av grønt lys fra bladene, derav den grønne fargen.

Liten absorpsjon av lys i midten av den synlige delen av lysspekteret, i det grønne delen, blir kompensert ved at bladene forekommer ofte i flere sjikt og da blir også det grønne lyset absorbert. Det grønne lyset er også det som trenger lengst inn i et blad.

Den første absorpsjonstoppen i blått kalles Soret-bånd (etter Jacque-Louis Soret), som skyldes en transisjon av et π−elektron til en eksitert tilstand π^∗ . For eksempel har klorofyll a i en acetonløsning et absorpsjonsmaksimum i rødt lys ved cirka 663 nanometer m, men ved cirka 680 nanometer m i et intakt blad. I klorofyll b er de to absorpsjonsbåndene i blått og rødt tettere sammen, og gjør det mulig å overføre eksitasjonsenergi i den røde delen av spekteret fra klorofyll b til klorofyll a.

Lys eksiterer klorofyll

Pigmenter er molekyler som kan absorbere lysenergi, og når pigmentet absorberer et foton eller lyskvant (hν) så skifter pigmentet fra grunntilstanden med elektroner i molekylorbitaler med lavt energinivå til et eksitert nivå (pigment*),hvor et elektron har fått et høyere energinivå

pigment + hν → pigment*

Overgangen til et eksitert nivå følger kvantemekaniske lover, og skjer bare hvis lysenergien til fotonet passer akkurat med energigapet mellom grunntilstand og eksitert nivå for elektronet.

I karbon-dobbeltbindingene er det delokaliserte pi-elektroner (π-elektroner) i molekylorbitaler, i alt 24 pi-elektroner. I hver pi-orbital er det to elektroner med motsatte spinn. Det betyr at det for eksitert klorofyll er to eksiterte nivåer, 2. singlett hvor blått lys har nok energi til å eksitere, og 1. singlett, et lavere nivå hvor rødt lys har nok energi til å eksitere. Singlett vil si at molekylet i den høyeste opptatte molekylorbitalen (HOMO) har et elektronpar med motsatte antiparallelle spinn. Det eksiterte elektronet og elektronet som blir igjen i grunntilstanden har motsatt spinn. Levetiden for 2. singlett er meget kort, og elektronet faller ned til første singlett og kvitter seg med energiforskjellen mellom disse to nivåene i form av varme og vibrasjon.

Et π-elektron i grunntilstanden som blir truffet av et foton blir eksitert til en π-antibindende orbital (π^∗). En molekylorbital angir sannsynlighetstettheten for å treffe på et elektron i molekylet. Eksitasjonsenergien kan bli overført til andre klorofyllmolekyler ved resonans. Ifølge Franck-Codon-prinsippet er absorpsjonen og emisjonen av lyskvantet meget rask, og skjer i løpet av picosekunder (1 ps =10^-12s) sammenlignet med hastigheten til molekylære vibrasjoner. Energien kan derfor overføres fra et eksitert pigment til det neste ved induktiv resonans. Dette forutsetter tilstrekkelig nærhet mellom molekylene, og gunstig romlig orientering. Eksitasjonsenergien blir via flere klorofyllmolekyler overført til et eksitert reaksjonssenterklorofyll, P680* i fotosystem II og P700* i fotosystem I. Disse er spesielle klorofyll a-molekyler som kan avgi et elektron (e-) i en ladningsseparasjon

P680* → P680⁺ + e^-

Eksitert P680* reduserer elektronakseptoren feofytin, og derved er lysenergi omdannet til kjemisk energi. Feofytin er et klorofyllmolekyl hvor magnesium (Mg²⁺) i kjernen er fjernet. Feofytin er den formen av klorofyll som mottar elektroner fra eksitert reaksjonssenterklorofyll, og fanger og fikserer derved lysenergien. Det avgitte elektronet fra P680^* blir erstattet med et elektron som kommer fra oksidasjon av vann. Feofytin uten fytolhalen kalles feoforbid.

Triplett klorofyll

Klorofyll kan også finnes i en eksitert form som triplett klorofyll, hvor det eksiterte elektronet har samme spinnretning som det gjenværende elektronet i elektronparet i grunntilstanden. Triplettnivået har lavere energinvå enn singlett-tilstanden. Triplett klorofyll har lang nok levetid til å kunne overføre eksitasjonsenergien sin til oksygen og danne reaktivt singlett oksygen. Prinsippet med pigment, lys og triplett oksygen, og overføring av eksitasjonsenergi og dannelse av singlett oksygen kalles fotodynamiske effekter, og blir også anvendt innen kreftbehandling.

Biosyntese av klorofyll

Den tyske kjemikeren Richard Martin Willstätter fikk Nobelprisen i kjemi i 1915 for sin forskning på plantepigmenter, blant annet antocyaniner, og spesielt den kjemiske strukturen til klorofyll. Willstätter viste at fytol er bundet med en esterbinding til en grønnfarget forbindelse han kalte klorofyllin, og som også inneholder magnesium. Han fant også et enzym i planter, «klorofyllase», som kan bryte ned klorofyll. Hans Fischer fikk Nobelprisen i kjemi i 1930 for sine studier av syntesen av klorofyll og hem, som i planter lages i en felles biosyntesevei. Fischer viste at hem, som finnes i rødt blod i form av hemoglobin, og klorofyll, begge er porfyriner som er bygget opp med fire ringer med pyrrol. Robert Burns Woodward var en amerikansk kjemiker som gjorde en rekke banebrytende studier av naturstoffer i planter og viste hvordan de kan bli syntetisert kjemisk. Det gjaldt stoffer som kinin, stryknin, reserpin, colchicin og ikke minst klorofyll. Klorofyll b har en aldehydgruppe, formylgruppe (-CHO) på tetrapyrrolring II istedetfor en metylgruppe (-CH₃) som i klorofyll a. Klorofyll c mangler fytolhalen. I klorofyll d erstatter en O-CHO gruppe en CH=CH gruppe på pyrrolring I.

Den første delen av biosynteseveien er felles for klorofyll (C₅₅H₇₀MgN₄O₆) og hem i planter, og starter med aminosyren glutaminsyre, som via 5-aminolevulinsyre danner protoporfyrin, hvor magnesium Mg²⁺ er et chelat i ringen i klorofyll, og tilsvarende jern (Fe²⁺) er chelat i hem. Man vet ikke helt funksjonen til chelatert magnesium (Mg²⁺) i klorofyll, og det kan ikke skifte valens slik som jern i hem i en toverdig og treverdig form.

Rødt fluorescenslys fra klorofyll

I intakte kloroplaster er klorofyll bundet til membranproteiner i lyshøstende komplekser, og den absorberte lysenergien blir overført via resonans til andre klorofyllmolekyler. Fluorescensspekteret til eksitert klorofyll b dekker absorpsjonsspekteret til mottagermolekylet klorofyll a, og energioverføringen blir effektiv. Imidlertid blir noe lys sendt ut fra fotosystemene som rødt fluorescenslys. Fluorscenslyset fra intakte blad kan man ikke se med det blotte øye, men det kan bli målt med et PAM-fluorimeter (Puls Amplitude Modulert) med lock-in forsterker. Instrumentet gir pulser med blått lys som eksiterer klorofyll, og mellom pulsene kan man måle mengden rødt fluorescenslys. Når planter som har stått i mørke blir tatt ut i lys kan man først registrere en rask økning i utsendelsen av rødt fluorescenslys, og deretter en reduksjon, en såkalt Kautsky-effekt. Denne variable fluorscensen kommer fra fotosystem II, og når elektrontransportørene nedstrøms for eksitert klorofyll er mettet med elektroner og før karbonfikseringen kommer i gang blir det overskudd av lys som blir sendt ut som fluorescens. Hvor mye fluorescens som kommer fra fotosystem II kan også gi et mål på om det er skader i fotosystemene, og om planten er utsatt for biotisk eller abiotisk stress. Forholdet mellom variabel og maksimal fluorescens er et mål på stresstilstanden i planten. Dette er grunnen til at fluorescensen fra for eksempel klorofyll løst i aceton får rød fluorescens, enten man belyser med blått eller rødt lys. Klorofyll i grunntilstand og eksitert nivå har flere vibrasjonsnivåer og noe av eksitasjonsenergien blir tapt. Stokes' skift vil si at overføringen av energi skjer mot økende bølgelengder, det vil at det lyset som absorberes sendes ut igjen som fluorescens ved cirka 25 nanometer lengre bølgelengde.

Næringsmidler

Klorofyll brukes som grønt fargestoff i næringsmidler, E 140.