吴志强1 周韦2
（1安徽省芜湖市第十二中学
2安徽省合肥市光华中学 ）
摘要 叶绿素（chlorophyll)是一类与光合作用有关的最重要的光合色素，具有丰富的多样性，而这种多样性是生物在漫长的进化过程中适应不同环境的结果。本文尝试从分类学的角度重新解读叶绿素，着重介绍了叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c、叶绿素d、叶绿素f及细菌叶绿素在生物中的分布情况及最大吸收光带和波长。并在此基础上简要阐述各种叶绿素的化学结构、功能特点和实践应用。
关键词 叶绿素、细菌叶绿素、生物进化
中国图书分类号：Q945 文献标识码：A
德国化学家韦尔斯泰特经过10年的艰苦努力，采用了当时最先进的色层分离法并耗费了成吨的绿叶，终于寻觅到了其中的神秘捕光物质——叶绿素。由于成功提取了叶绿素，韦尔斯泰特在1915年荣获了诺贝尔化学奖。叶绿素是深绿色光合色素的总称，广泛存在于绿色植物及藻类当中，而在某些动物体中也发现存在叶绿素，如绿眼虫、部分共生海绵、海蜗牛等。在相当长的一段时间内，人们认为叶绿素只包括结构相似的四种类型，即叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c和叶绿素d。近年来，科研工作者发现了第5种叶绿素——叶绿素f，而后续发现的细菌叶绿素，其种类更多，分为细菌叶绿素a、b、c、d、e、f、g等。
叶绿素是含镁的四吡咯衍生物，其基本结构与卟啉化合物血红素相似，它们都是由原卟啉Ⅸ通过生物合成形成的。其分子由两部分组成的：核心部分是起到吸收光能作用的卟啉环，叶绿素依靠卟啉中的单键和双键的改变来吸收可见光；另一部分是被称为叶绿醇的长脂肪烃侧链，叶绿素可利用这种侧链插入到类囊体膜中。与含铁的血红素不同的是，叶绿素中的卟啉环以镁原子作为替代[1]。虽然各叶绿素之间的结构差异很小，但却导致形成了不同的吸收光谱（见表1），并进一步影响含有该种叶绿素生物的生存与进化。
表1 各种叶绿素的分布及最大吸收光带
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叶绿素
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分布
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最大吸收光带及主要吸收光的波长
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叶绿素a
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所有绿色植物中
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红光和蓝紫光，660-680nm、420-440nm
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叶绿素b
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高等植物、绿藻、眼虫藻、管藻
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红光和蓝紫光，640-650nm、460-480nm
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叶绿素c
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硅藻、甲藻、褐藻、鹿角藻
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红光和蓝紫光，620-640nm、460-475nm
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叶绿素d
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红藻、蓝藻
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红光和蓝紫光，700-750nm
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叶绿素f
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藻青菌
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红外光波段，700-800nm
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细菌叶绿素
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各种厌氧光合细菌
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红光和蓝紫光，715-1050nm
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注：由于各参考文献给出的吸收波长存在差异，表中波长数值是综合后的结果。
1 叶绿素a
叶绿素a（C55H72O5N4Mg）的分子结构由4个吡咯环通过4个甲烯基（=CH—）连接形成环状结构（即卟啉），卟啉环中央结合着1个镁原子，同时还具有1个植基（如叶绿醇）的“尾巴”——即最长的侧链。在酸性环境中，卟啉环中的镁可被H取代称为去镁叶绿素，呈褐色，当用铜或锌取代H，其颜色又变为绿色。此种色素稳定，在光下不退色，也不为酸所破坏，浸制植物标本的保存，就是利用此特性。在光合作用中，绝大部分叶绿素a的作用是吸收及传递光能，仅极少数叶绿素a分子起转换光能的作用。它们大都与类囊体膜上蛋白质结合在一起。虽然叶绿素a的吸收光谱主要集中在蓝紫光和红光，而最新的研究发现在某些藻类（Chromera
velia）或突变的藻类[2]（Synechocystis
sp. PCC6803）中存在一些具有新特征的叶绿素a，其共同点都是最大吸收光谱的红移，即偏向红外光谱。在当今生态学研究中，普遍采用以叶绿素a浓度作为浮游藻类分布的指示剂及衡量水体初级生产力、富营养化和和污染程度的基本指标[3]。特别是作为富营养化的参数指标，被认为比总磷或总氮含量更具有参考意义。
2 叶绿素b
叶绿素b（C55H70O6N4Mg）的分子结构和叶绿素a 很相似，两者细微的不同之处在于在叶绿素b分子结构上有1个醛基，而叶绿素a相同位置上则是1个甲基，因此叶绿素b更易溶于极性溶剂。
植物的光合作用包括光系统I和光系统II，都是由两种复合体构成，即核心复合物和捕光天线复合体。其中捕光天线复合体能捕获光能并迅速传递至反应中心引起光化学反应。叶绿素b是构成捕光天线复合体的重要组成部分，它不仅具有吸收和传递红光和蓝紫光的作用，而且在调控光合机构天线的大小、维持捕光天线复合体的稳定性及对各种环境的适应等过程中都起作用[4]。从叶绿素b缺失体及过度表达叶绿素b[5]的转基因植株的实验表明，其影响类囊体膜色素蛋白或其他色素（如花青素）的表达、叶绿体超微结构、CO2的同化、及淀粉的累积从而最终影响光合作用效率。此外，科研人员意外发现叶绿素ｂ可以减轻抗癌药物顺铂对人体的不利影响[6]，这为抗癌研究提供了新的治疗方向。
3 叶绿素c
在绿色光合成细菌的绿色体中，如硅藻和褐藻，不存在叶绿素b，取而代之的是叶绿素c,叶绿素c在这些生物中是一种非常重要的吸收光的色素。叶绿素c还可细分为c1、c2和c3三个亚型，主要存在于低等藻类植物中。
叶绿素c分子骨架上碳原子的价电子已不为碳原子所占有，其电子轨道扩展到整个卟啉环，电子是在整个分子中运动[7]。与叶绿素a相比，其分子结构的最大特点是不存在植基的长侧链，而头部结构与叶绿素a相同。叶绿素c1（C35H30O5N4Mg）和叶绿素c2（C35H28O5N4Mg）的区别在于：C8团的位置c2比c1多了1个双键，而c3的结构组成目前仍存争议。卟啉化合物的这种性质决定了它在生命科学上的特殊位置。不管是植物还是动物，其生命活动中均离不开卟啉化合物。有关卟啉化合物的理、化性质的研究愈来愈引起重视。一方面，利用叶绿素c分子独特性，使之成为非常好的分子标记用于追寻植物的进化过程及分析各类群间的亲缘关系；另一方面，用于光化学恶性肿瘤治疗的光敏药物大多为卟啉化合物。例如血卟啉、脱镁叶绿素甲酯一酸A等。其原理为，光敏药物和氧之间存在着能量传递，使氧激发成为具有强烈的氧化作用的氧，使肿瘤细胞致死。叶绿素c尤其是脱镁叶绿素c可望成为一种高效光化学恶性肿瘤治疗药物[8]。
4 叶绿素d
1943年首次被报道的叶绿素d（C54H70O6N4Mg）与叶绿素a在结构上相似，但Ⅰ环(C3团)上的乙烯基被醛基取代，从而其吸收峰值与叶绿素a相比向长波侧移动约30nm。其主要存在于蓝藻中，例如深海单细胞蓝藻Acaryochloris marina以叶绿素d为主要的捕光色素，其几乎完全替代叶绿素a行使功能，能利用叶绿素 a,b,c所不能利用的近红外光，即波长700-750nm的近红外光线，从而适应阴暗的生存环境。日本科学家曾在《科学》杂志上称[9]，叶绿素d在地球海洋与湖泊中广泛存在，这种叶绿素可能是地球上碳循环的驱动力之一。他们估计，若将全球范围内叶绿素d吸收的二氧化碳换算成碳，每年可能约有l0亿吨，相当于大气中平均每年二氧化碳增加量的约1/4。
5 叶绿素f
2010年华人科学家陈敏博士在西澳大利亚鲨鱼湾的一种藻青菌菌落中偶然提取到这种叶绿素，将其命名为叶绿素f。叶绿素f与叶绿素a相比其C2团的位置由醛基替代了甲基，并且C3团的位置多了1个双键。正是这个微小的化学修饰显著地改变了它的光学性质，使得叶绿素f的吸收波长大约有760nm，比叶绿素d的红外波长宽了有20nm左右。
作为第5种叶绿素为何不命名为e呢？因为1948年哈罗德·斯特兰在其未公开发表的一些数据中，提到了叶绿素e。同时在1950-1970年间的在一些论著的章节中也提到了叶绿素e，但是叶绿素e的特征并不明确，它的化学结构和功能仍不确定。为了区别于它，因此将新发现的叶绿素命名叶绿素f，而真正的叶绿素e仍待发现。叶绿素f的吸收光谱更长，同样是处于近红外区域，这表明光合生物可以利用的光谱可能比之前认为的宽泛得多，光合效率也强得多[10]。
6 细菌叶绿素
对于不放氧的光合细菌而言它们存在着另一类叶绿素——细菌叶绿素（C55H74MgN4O6）。细菌叶绿素分子通过自己的中心Mg2+和捕光蛋白上的His残基非共价的结合，通过其大环的头部及叶绿醇尾部与类胡萝卜素以疏水键结合，临近的细菌叶绿素分子之间或者细菌叶绿素和类胡萝卜素分子之间还存在微弱的氢键相互作用, 这一系列相互作用力构成了稳定的空间结构[11]。
细菌叶绿素的研究在20世纪90年代引起了很多科学家的兴趣，它与叶绿素相比最显著不同的是其最大吸收光谱均为700nm以上的红外光线。所有光合细菌中都会存在细菌叶绿素a，紫色光合细菌中还含有细菌叶绿素b，此外还有其他类型的细菌叶绿素存在[12]。
沉积物中的细菌叶绿素研究一直受到关注。厌氧光合细菌和细菌叶绿素能够在缺氧、黑暗的沉积环境完美的保存，是指示古环境、古生态以及古气候的重要指示物。因此，细菌叶绿素的研究可用于重建古湖泊、古海洋厌氧初级生产力状况、恢复湖泊以及海洋生态系统的碳循环历史等古环境的研究以及分析古生态环境的进化历程。随着分子同位素测定技术的发展以及对细菌叶绿素生物地球化学特性的更多了解, 沉积物中细菌叶绿素将被更广泛的运用到古环境、古气候和古生态等研究中去[13]。
7 小结和展望
综上，叶绿素分子具有丰富的多样性，而这种多样性是生物在漫长的进化过程中适应不同环境的结果。叶绿素的这种多样性可作为遗传标记，为我们研究植物的进化历程提供有力的线索和依据。在医疗卫生、食品等行业，叶绿素发挥着巨大用途。叶绿素作为一种抗肿瘤药物已经尝试使用多年；近年来的研究发现，叶绿素具有抗丙型肝炎病毒，抗寄生虫及抗炎症等功能；在从苜蓿等植物中提取所得到的油溶性的铜代叶绿素、水溶性的叶绿素铜钠盐是无毒天然色素，可作为色素添加剂用于食品和化妆品。而叶绿素衍生物及其代谢产物的应用更是数不胜数。
生物世界的多彩和神奇我们可以从叶绿素中窥见一斑，随着时间的推移和科技的进步，可能有更多种类的叶绿素将被发现，而其具有的广泛的用途也必将更好的造福社会。
主要参考文献
1 王镜岩，朱圣庚，徐长法.生物化学.第三版.北京：高等教育出版社，2002:1-218
2 Bína D, Gardian Z, Herbstová M，et al. Novel type of red-shifted
chlorophyll a antenna complex from Chromera velia. II. Biochemistry and
spectroscopy. Biochimica and Biophysica Acta，2014,2728(14):13-19
3 Buonasera K,Lambreva M, Rea G, et al.Technological applications of chlorophyll a fluorescence for
the assessment of environmental pollutants. Analytical and Bioanalytical Chemistry,
2011,401(4):1139-1151
4 Rüdiger W.Biosynthesis of chlorophyll b and the
chlorophyll cycle. Photosynthesis Research,2002,74(2):187-193
5 Sakuraba Y,Yokono M,Akimoto S,Tanaka R,Tanaka
A. Deregulated chlorophyllb synthesis reduces the energy transfer rate between
photosynthetic pigments and induces photodamage in Arabidopsis thaliana. Plant
Cell Physiology, 2010,51(6):1055-1065
6 Serpeloni JM,Batista BL,Angeli JP,et al. Antigenotoxic
properties of chlorophyll b against cisplatin-induced DNA damage and its
relationship with distribution of platinum and magnesium in vivo.Journal of
Toxicology Environmental Health,Part A,2013,76(6):345-353
7 孟继武，侯尚公,杨军等.叶绿素C的光学性质.发光学报, 1990,(11)2：149-156
8 Dougherty TJ,Kaufman JE,Goldfarb A,et al. Photoradistion
Therapy for the Treatment of Malignant Tumors.Cancer Research,1978,38(8):2628-2635
9 Kashiyama Y,Miyashita H, Ohkubo S ,et al. Evidence of global chlorophyll
d.Science,2008,321(5889):658
10 Chen M, Li Y, Birch D, et al . A
cyanobacterium that contains chlorophyll f--a red-absorbing photopigment.FEBS
Letters, 2012,586(19):3249-3254
11 Gall A, Henry S,Takaichi S,et al. Preferential incorporation of
coloured-carotenoids occurs in the LH2 complexes from non-sulphur purple
bacteria under carotenoid-limiting conditions.Photosynthesis Reserach,2005,86(1-2):25-35
12 Harada J, Mizoguchi T,Tsukatani Y, et al. A
seventh bacterial chlorophyll driving a large light-harvesting antenna.Scientific
Reports,2012,Vol 2:671
13 王曼,季峻峰,陈骏等.沉积物中细菌叶绿素的环境指示意义.高校地质学报, 2007,13(1):23-29
本文发表于《生物学通报》2014年第9期 |
