葉綠素(Chlorophyll)

Posted on 2013/10/31 in 化合物, 化學, 物質組成 with 沒有迴響 53,357 views

葉綠素(Chlorophyll)
國立臺灣師範大學附屬高級中學生李微/國立臺灣師範大學附屬高級中學化學科陳昭錦老師

葉綠素是地球上分布最廣的自然色素，目前已知其化學結構有超過一百種的變異存在。一片含有七千萬個細胞的葉子，擁有約五十億個葉綠體（chloroplast），其中每個葉綠體含有約六億個葉綠素分子。

葉綠素是一種綠色色素，存在於藍綠菌以及植物與藻類的葉綠體中，是一種重要的生物分子，因為在光合作用中，葉綠素扮演著非常重要的角色，使植物吸收光能並轉換成能量。葉綠素在電磁波光譜中的藍光波段有最強的吸收，其次是紅光波段，然而對綠光及鄰近波段的吸收很差，因此含葉綠素的組織呈現綠色。

葉綠素於 1818 年首先由 Caventou 與 Pelletier 從植物葉中分離出綠色物質，其名稱字源來自希臘文的「綠色」與「葉子」。

化學結構

葉綠素是一種二氫卟吩(chlorin)類的色素(圖一)，結構上類似紫質類的錯合物，如原血紅素。紫質類錯合物的中心金屬離子，可以是 $$\bf{Fe^{2+}}$$、$$\bf{Co}$$ 或是 $$\bf{Mg}$$，作為配位基的紫質，是一大分子雜環化合物，為平面結構的四牙基，是卟吩（porphin，$$\bf{C_{20}H_{14}N_4}$$）的衍生物，有取代基的卟吩即稱為紫質(圖二)。紫質環是一個高度共軛的體系，並因此顯現深色。葉綠素是由鎂離子為中心，與紫質配位形成的螯合物。

葉綠素於 1900 年代初期被發現時，是首次在生物組織中偵測到鎂元素的存在。二氫卟吩的環狀結構可以有數種不同的側鏈，通常含有一葉綠醇(phytol)長鏈(圖三)。用鹼水解葉綠素可得到葉綠醇，是一個親脂的脂肪鏈，葉綠醇是合成維生素 K 及維生素 E 的前驅物。

自然界中的葉綠素有幾中不同的形式，廣泛分布於陸生植物中的是葉綠素a。

1905 年德國化學家 Willstatter 開始研究葉綠素，1906 年俄國植物學家 Tsvet 進行葉綠素研究時發明色層分析法（Chromatography），其後 Willstatter 利用此方法提取綠葉中的物質，經過十年的努力，他終於分離出綠葉中的神秘物質－葉綠素，進而證實在綠葉細胞中以三比一的量存在的葉綠素a 及 b，都是鎂的錯合物。他因此而獲得1915年諾貝爾化學獎。

1930 年德國有機化學家Fischer對血紅素及葉綠素的研究，及血紅素合成的貢獻，讓他獲得了諾貝爾化學獎。Fischer 主要研究綠色植物中葉綠素的色素、血液及膽汁中的色素。

在他的實驗研究中，他曾合成過許多的化合物，其中最重要的是在 1929 年，成功合成血紅素，並在 1930 年到 1940 年間，發表了上百篇和葉綠素（Chlorophyll）研究有關的論文，並且確定了葉綠素的結構。其中證明了葉綠素分子中含有二氫卟吩環系，且中心位置含有和二氫卟吩形成配位的鎂原子。他在葉綠素領域豐富的研究成果，為後來合成葉綠素的研究奠定了基礎。

到了 1960 年，有關葉綠素a 的立體化學研究已幾乎完備，Woodward 發表了葉綠素a 的全合成步驟。葉綠素幾種常見的結構如表一所示。


圖一二氫卟吩(chlorin) 20πe^－	圖二卟吩(Porphine)-最簡單的紫質(Porphyrin) 22πe^－

圖三葉綠醇

化學性質

存在植物葉綠體中的葉綠素主要有葉綠素a 和葉綠素b 兩種，難溶於水，可溶於有機溶劑，如乙醇、丙酮、乙醚、氯仿等。由於在結構上的差別，葉綠素a 呈藍綠色，而葉綠素b 呈黃綠色，在光照下易被氧化而褪色。

葉綠素可視為葉綠酸的酯，能與鹼進行皂化反應。葉綠酸是二元羧酸，其中一個羧基與甲醇發生酯化，另一個與葉綠醇酯化。葉綠醇是由四個異戊二烯單位組成的雙萜，是親脂的脂肪族鏈，它的存在決定了葉綠素分子的脂溶性，使之溶於有機溶劑中。

葉綠素的化性不是很穩定，光、酸、鹼、氧、氧化劑等都會使其分解。

葉綠素紫質環中的鎂離子可被氫離子、銅離子、鋅離子所置換。酸性條件下，葉綠素分子很容易失去紫質環中的鎂成為去鎂葉綠素。用酸處理過的葉片，氫離子易進入葉綠體，置換鎂形成去鎂葉綠素，使葉片呈褐色。去鎂葉綠素易再與銅離子結合，形成銅代葉綠素，顏色比原來更穩定。人們常根據這一原理用醋酸銅處理來保存綠色植物標本。葉綠素溶液能進行部分類似光合作用的反應，在照光下使某些化合物氧化或還原。人工製備的葉綠素膜在照光下能產生光電位和光電流，也能催化某些氧化還原反應。

葉綠素與光合作用

葉綠素是自然界中最重的螯合物，它能藉由光合作用將太陽光轉變為化學能。在光合作用中，葉綠素吸收的能量能使二氧化碳和水轉變為葡萄糖與氧氣，如方程式 $$(1)$$ 所示：

$$\mathrm{6CO_2+6H_2O\overset{h\nu}{\rightarrow} C_6H_{12}O_6+6O_2~~~~~~~~~(1)}$$

表一數種常見的葉綠素分子及結構

葉綠素a	葉綠素b	葉綠素d

C₅₅H₇₂O₅N₄Mg	C₅₅H₇₀O₆N₄Mg	C₅₄H₇₀O₆N₄Mg
普遍存在	存在於大多數植物中	存在於藍綠菌中

葉綠素c1	葉綠素c2

C₃₅H₃₀O₅N₄Mg	C₃₅H₂₈O₅N₄Mg
存在於各種藻類中	存在於各種藻類中

透過光合作用儲存在碳水化合物中的化學能，可驅動大多數所有生物有機體中的生化反應。在光合作用中，二氧化碳被水還原，意即電子從水被轉移到二氧化碳，葉綠素協助此電子轉移過程。當葉綠素吸收了光能，其上的電子受到激發，處在激發態的電子更容易轉移到另一分子，這啟動了連鎖的電子轉移步驟，最終電子轉移到二氧化碳上。

同時，失去電子的葉綠素從其他分子中獲得電子，這就是水分子失去電子引發的最終結果。因此，葉綠素是光合作用中二氧化碳與水發生氧化還原反應的關鍵。

參考資料