叶绿素家族概述

王修顺 李 杰 邱念伟*

(1山东省曲阜师范大学生命科学学院 273165； 2山东省曲阜师范大学附属中小学 273165)

1 叶绿素家族的成员及结构

叶绿素(chlorophyll)家族种类较多，主要分为叶绿素a、b、c、d、f、原叶绿素、细菌叶绿素、去镁叶绿素等8种类型，其共同结构特征是含有卟啉环结构，这种共同结构决定它们在光合作用中具有类似的功能。不同叶绿素成员的结构又存在明显差异，以使不同的光合生物适应不同的生活环境。根据叶绿素结构的相似性，将叶绿素分类如下。

1.1 叶绿素a和叶绿素b 叶绿素a和叶绿素b的分子结构(相关结构图见文后二维码)都是由“头部”卟啉环和“尾部”叶绿醇(20个碳原子)组成。卟啉环是由四个吡咯环和四个甲烯基(=CH—)连接成的一个大环，镁原子居于卟啉环的中央，镁带正电荷，而与其相连的氮原子带负电荷，故“头部”是亲水的；叶绿醇则以酯键与第Ⅳ吡咯环侧链上的丙酸相结合，叶绿醇由四个异戊二烯单位组成，故“尾部”是亲脂的。叶绿素a和叶绿素b的区别在于前者的第Ⅱ吡咯环上是一个甲基(—CH3)，后者的甲基被醛基(—CHO)取代[1]。

1.2 叶绿素c 与叶绿素a和叶绿素b的分子结构不同，叶绿素c只具有“头部”(卟啉环)，没有“尾部”(叶绿醇)，而且其卟啉环IV环侧链的C-171—C-172连接键是碳碳双键(C=C)[2]。叶绿素c目前已发现了3个成员，分别是叶绿素c1、叶绿素c2和叶绿素c3[2～4]，其结构区别如下：叶绿素c1与叶绿素c2的分子结构的区别在于前者第Ⅱ吡咯环上是乙基(—CH2CH3)，而后者是乙烯基(—CH=CH2)。叶绿素c3又称为7-甲氧甲酰基-叶绿素c2，是叶绿素c2卟啉环C-7上的甲基(—CH3)被甲氧甲酰基(—COOCH3)取代形成的(相关结构图见文后二维码)。

1.3 叶绿素d和叶绿素f 叶绿素d和叶绿素f均与叶绿素a具有相似的分子结构，叶绿素a的第Ⅰ吡咯环上的乙烯基(—CH=CH2)被醛基(—CHO)取代后，即成为叶绿素d[5]；叶绿素a的第Ⅰ吡咯环上的甲基(—CH3)被醛基(—CHO)取代后，即成为叶绿素f。所以叶绿素a、叶绿素d和叶绿素f的结构差异主要表现在第Ⅰ吡咯环的侧链上。叶绿素f与叶绿素b为同分异构体，只是醛基的位置不同。上世纪50年代前苏联科学家曾在其论著中提到一种称为叶绿素e的叶绿素，但叶绿素e的特征并不明确，化学结构和功能还不确定，并未得到科学界公认，为了区别叶绿素e，故2010年新发现的叶绿素被命名叶绿素f[6](相关结构图见文后二维码)。

1.4 原叶绿素(protochlorophyllide) 原叶绿素也称为原脱植基叶绿素a。与叶绿素a的分子结构相比较，原叶绿素只具有“头部”(卟啉环)，缺少“尾部”(叶绿醇)[7]。原叶绿素与叶绿素c1的分子结构极为相似，两者的区别在于原叶绿素C-171—C-172位置处的连接键是碳碳单键(C-C)，而叶绿素c1是碳碳双键(C=C)。原叶绿素的第IV吡咯环被还原后，变成脱植基叶绿素a (chlorophyllide a)，脱植基叶绿素a是所有叶绿素合成的前体物质[7](相关结构图见文后二维码)。

1.5 细菌叶绿素(bacteriochlorophyll) 细菌叶绿素是光合细菌特有的光合色素，目前已发现a、b、c、d、e、f、g等多个成员。根据卟啉环上被还原的吡咯环数目，细菌叶绿素可分为两类：细菌叶绿素a、b和g有2个被还原的吡咯环(II、IV)，细菌叶绿素c、d、e和f有1个被还原的吡咯环(IV)[8～10]。另外，各种细菌叶绿素卟啉环上的侧链也有所区别，如细菌叶绿素a和b极为相似，区别仅在于前者的卟啉环C-8侧链为乙基(—CH2CH3)，而后者是亚乙基(=CH-CH3)。细菌叶绿素c、d、e、f也非常相似，c和d、e和f这两对叶绿素的区别均是前者卟啉环C-20上多了一个甲基(—CH3)；c和e、d和f这两对叶绿素的区别均是前者卟啉环C-7侧链是一个甲基(—CH3)，后者中甲基被醛基(—CHO)取代。细菌叶绿素g的卟啉环与细菌叶绿素a、b相似；但尾部与细菌叶绿素c、d、e、f相同，比细菌叶绿素a和b的尾部少了5个碳原子，变成了15C的法尼醇。各类细菌叶绿素间的其他结构区别不再赘述(相关结构图见文后二维码)。

1.6 去镁叶绿素(pheophytin) 叶绿素卟啉环中均含有1个Mg2+，Mg2+较为活跃，容易被H+取代，形成去镁叶绿素[11]。在酸性环境中，所有叶绿素的Mg2+都容易被H+取代，形成相应的去镁叶绿素(相关结构图见文后二维码)。

2 叶绿素的性质、功能及分布

2.1 叶绿素a和叶绿素b 叶绿素a的化学式为C55H72O5N4Mg，分子量为893.48，蓝绿色，无气味，熔点152.3℃，不溶于水，易溶于乙醇、石油醚、丙酮、三氯甲烷、二甲基亚砜等有机溶剂。主要吸收红光和蓝紫光，在90%丙酮中吸收峰分别为430 nm和 664 nm。叶绿素a是大多数光合生物所必需的(部分厌氧光合细菌除外)，光合生物通过叶绿素a吸收红光和蓝紫光获取能量。叶绿素a还是光系统反应中心上能够将光能转化成电能的唯一色素，并参与光合作用电子传递[1]。

叶绿素b的化学式为C55H70O6N4Mg，分子量为907.46，黄绿色，无气味，熔点125℃，易溶于各类有机溶剂，也主要吸收红光和蓝紫光，但其在蓝光区的吸收波峰比叶绿素a变长，而在红光区的吸收波峰比叶绿素a变短。在90%丙酮中吸收峰分别为460 nm和647 nm。叶绿素b主要存在于高等植物、绿藻、眼虫藻和管藻中，是植物进行光合作用的重要色素之一。在植物中，光系统II周围的聚光天线中含有丰富的叶绿素b，在阴生植物的叶绿体中，光系统II与光系统I的比例增大，使叶绿素b与叶绿素a的比值升高，从而使阴生植物吸收的光谱范围增大。

2.2 叶绿素c 叶绿素c为蓝绿色，主要吸收红光和蓝紫光，与叶绿素a和b相比，其在红区的光吸收峰波长更短，在蓝区的光吸收峰则在两者之间。叶绿素c是在某些海洋藻类中发现的一种叶绿素类型，主要存在于硅藻、甲藻、褐藻和鹿角藻中[3]。与叶绿素a和叶绿素b一样，叶绿素c有助于有机体聚集光能，通过聚光天线将激发能传递到光合反应中心。

叶绿素c1的化学式为C35H30O5N4Mg，分子量为610.94，在90%丙酮中吸收峰分别为442 nm和 630 nm。但在乙醚和丙酮中会出现3个吸收峰，分别为444、577、626 nm和447、579、629 nm[12]。叶绿素c2的化学式为C35H28O5N4Mg，分子量为608.92，在90%丙酮中吸收峰分别为444 nm和630 nm。在乙醚和丙酮中的3个吸收峰分别为447、580、627 nm和450、581、629 nm[12]。叶绿素c3的化学式为C36H28O7N4Mg，分子量为652.93。在乙醚和丙酮中的3个吸收峰分别为452、585、625 nm和452、585、627 nm[12]。

2.3 叶绿素d和叶绿素f 叶绿素d为黄绿色，化学式为C54H70O6N4Mg，分子量为895.5。叶绿素d主要存在于海洋红藻和蓝细菌中[5]，与叶绿素a、b、c相比，叶绿素d能吸收更长波长的远红光和更短波长的蓝光，由于远红光在水中的透射性强，所以含有叶绿素d的生物体适合于中等深水的环境中生活，那里尽管没有大量的可见光，但它们可以利用远红光进行光合作用。叶绿素d在90%丙酮中吸收峰分别为401 nm，455 nm和696 nm。叶绿素f也呈黄绿色，化学式为C55H70O6N4Mg，分子量为907.46。叶绿素f是最近新发现的一种叶绿素，存在于澳大利亚鲨鱼湾的一种蓝细菌中，它的吸收光谱可以延伸到近红外光的范围内[6]，可利用的光能范围更宽，使层叠石内几乎不可能接受可见光的蓝细菌也能进行光合作用。

2.4 原叶绿素 原叶绿素是无色的，化学式为C35H32O5N4Mg，分子量为612.96，主要吸收近红光和蓝紫光，具有较强荧光性，用蓝光照射下，积累原叶绿素拟南芥突变体会发出红色荧光[7]。原叶绿素在黄化植物幼苗中含量较高，其与蛋白质结合，吸收光能，被还原成脱植基叶绿素a (chlorophyllide a)，脱植基叶绿素a是所有叶绿素合成的前体物质，呈橄榄绿色。在被子植物中，催化此步反应的原叶绿素氧化还原酶(POR)是需光性的，如果生长在黑暗环境中，植物就会逐渐褪去绿色，形成白化苗。在裸子植物、藻类和光合细菌中含有一种不依赖光的原叶绿素氧化还原酶(DPOR)，可以使此类生物体在黑暗环境中也能合成脱植基叶绿素a，使植物叶片呈现绿色。在高等植物中，脱植基叶绿素a第IV吡咯环上的丙酸与植醇(亦称叶绿醇)酯化，形成叶绿素a，然后再由叶绿素a演变成叶绿素b。

2.5 细菌叶绿素 细菌叶绿素已发现a、b、c、d、e、f、g等7种类型，存在于各类光合细菌中，能够吸收波长更长的红光和更短波长的近紫外光。每种细菌叶绿素都有固定的光吸收峰，吸收波长范围在350～1050 nm，能够利用高等植物或绿藻不能吸收的光能进行光合作用[9]。如细菌叶绿素a在乙醇中的最大吸收波长分别为367 nm和770 nm，细菌叶绿素b则分别为373 nm和795 nm。

2.6 去镁叶绿素 去镁叶绿素呈褐色，植物体中去镁叶绿素含量较少，只在光系统II(PSII)的反应中心上结合着1个去镁叶绿素，参与光合作用电子传递，是第一个电子传递受体。叶绿素脱镁后吸收峰波长变长。例如，叶绿素a和叶绿素b在酸性条件下脱镁后，在90%丙酮中的红光区吸收峰波长为665 nm[11]。

叶绿素是自然界中最重要的化合物之一，通过对上述各类叶绿素的结构、功能和化学性质的系统比较，有助于对叶绿素进行全面了解，并为叶绿素相关研究提供基本参考资料。

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