klorofyll

Klorofyll og andre fargestoffer høster lysenergi når et elektron løftes til et høyere energinivå. I skallmodellen har elektroner ulike energinivåer i de ulike banene rundt kjernen, og dersom en enhet lysenergi (kalt foton) løfter et elektron fra et energinivå til et annet, har elektronet fått energi som kan frigis senere. Denne prosessen kalles lyshøsting.

Dersom elektronet får tilstrekkelig med energi kan det rives løs fra et molekyl og overføres til et annet. I klorofyll-molekylet rives et elektron løs fra et Mg²⁺-atom. Dette gir opphav til ulike elektrontransportkjeder som kalles fotosystem 1 og 2.

Elektronene kan bare flyttes mellom ulike bestemte energinivåer, og energien i et foton må passe nøyaktig til forskjellen mellom energinivåene. Bølgelengdene i lys har ulike energinivåer, og å flytte elektroner krever lys av bestemte bølgelengder. Siden bølgelengdene i synlig lys har ulike farger, har endringer av energinivå hos elektronene sammenheng med absorpsjon av bestemte farger.

Klorofyll har grønn farge fordi dette molekylet i hovedsak kan absorbere rødt og blåfiolett lys, mens det grønne lyset reflekteres. Hvilke bølgelengder som absorberes kalles absorpsjonsspekter. Det grønne lyset trenger lengst inn i bladene, og ned gjennom bladverket der det er flere sjikt med blader.

At klorofyll i hovedsak absorberer blått og rødt lys kan ha sammenheng med tidsperioden fotosyntesen ble evolvert.

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.

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.

De ulike klorofyll-molekylene har noen forskjeller. Klorofyll b har en aldehydgruppe, formylgruppe (-CHO) på tetrapyrrolring II istedenfor 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.

Klorofyll har store likheter med hem, som finnes i rødt blod i form av hemoglobin. Begge er porfyriner som er bygget opp med fire ringer med pyrrol. 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.

Flere nobelpriser i kjemi er delt ut til forskning knyttet til 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.

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.

I fordøyelse av plantemateriale som inneholder klorofyll hos grasetere blir sidekjeden med fytol bundet i en esterbinding til klorofyllmolekylet omdannet til fytansyre, en langkjedet fettsyre som har en metylgruppe på β-karbonet (metylgreinet fettsyre). Metylgruppen gjør at fytansyre ikke kan bli omsatt i beta(β)-oksidasjon, men blir i stedet først omsatt ved alfa(α)-oksidasjon i peroksisomene. Et av mellomproduktene i den videre omsetningsveien av fytansyre er pristansyre. Pristansyre ble første gang isolert fra lever hos hai.

Den viktigste kilden til fytansyre i kosten hos mennesker er kjøtt og melkeprodukter fra drøvtyggere, hvor mikroorganismer i vomma omdanner klorofyll til blant annet fytansyre. Fytansyre blir først omsatt fytanoyl-koenzymA etterfulgt av en hydroksylering og dekarboksylering, katalysert av fytanoyl-CoA hydroksylase. Refsums sykdom skyldes en genfeil som koder for dette enzymet, samt funksjonsfeil i peroksisomer.

Den resterende del av klorofyllmolekylet er et fytoporfyrin (tetrapyrrol) og følger sannsynligvis nedbrytningsveien for andre porfyriner som hem via lineære tetrapyrrolmolekyler (bilirubin og biliverdin).

Planter kan sende ut noe rødt fluorescenslys. 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 fluorescensen kommer fra fotosystem 2, 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 2 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.

• kloroplaster
• fotosyntese

• UiO: Botanisk og plantefysiologisk leksikon, klorofyll