Clorofilă | Permite plantelor să absoarbă și să folosească lumina

Clorofila este necesară pentru fotosinteză, care permite plantelor să obțină energie din lumină.

Moleculele de clorofilă sunt dispuse în interiorul și în jurul membranelor cloroplastelor. Aceasta îndeplinește două funcții principale. Funcția majorității clorofilei (până la câteva sute de molecule per fotosistem) este de a absorbi lumina și de a transfera energia luminoasă către centrele de reacție. Acești pigmenți sunt denumiți după lungimea de undă (în nanometri) a maximului de absorbție a vârfului lor roșu. Acești pigmenți clorofilieni pot fi separați printr-un simplu experiment de cromatografie pe hârtie.

Funcția centrului de reacție clorofilă este de a utiliza energia transferată de ceilalți pigmenți clorofilieni pentru a efectua o reacție redox specifică. În această reacție, clorofila dă un electron unui lanț de transport al electronilor. Această reacție este modul în care organismele fotosintetice, cum ar fi plantele, produc gaz O₂ și este sursa pentru practic tot O₂ din atmosfera Pământului. Fotosistemul I funcționează de obicei în serie cu fotosistemul II.

Fluxul de electroni produs de pigmenții clorofilieni din centrul de reacție este utilizat pentru a transporta ionii H⁺ prin membrană, stabilind un potențial chemiosmotic utilizat în principal pentru a produce energie chimică ATP; iar acei electroni reduc în cele din urmă NADP⁺ la NADPH, un reductor universal utilizat pentru a reduce CO₂ în zaharuri, precum și pentru alte reduceri biosintetice.

S-a descoperit că un melc de mare verde, Elysia chlorotica, folosește clorofila pe care a mâncat-o pentru a face fotosinteză pentru el însuși. Acest proces este cunoscut sub numele de cleptoplastie și nu s-a descoperit niciun alt animal care să aibă această capacitate.

De ce verde și nu negru?

Încă nu este clar de ce anume plantele au evoluat pentru a fi verzi. Plantele verzi reflectă în principal lumina verde și aproape verde, în loc să o absoarbă. Alte părți ale sistemului de fotosinteză permit totuși plantelor verzi să utilizeze spectrul de lumină verde (de exemplu, prin structura frunzelor care captează lumina, prin carotenoizi etc.). Plantele verzi nu utilizează o mare parte din spectrul vizibil cât mai eficient posibil. O plantă neagră poate absorbi mai multe radiații, iar acest lucru ar putea fi foarte util, fără a ține cont de problemele legate de eliminarea acestei călduri suplimentare (de exemplu, unele plante trebuie să își închidă deschiderile, numite stoma, în zilele călduroase pentru a evita să piardă prea multă apă). Mai exact, întrebarea devine de ce singura moleculă care absoarbe lumina și care este folosită pentru energie în plante este verde și nu pur și simplu neagră.

Biologul John Berman a afirmat că evoluția nu este un proces de inginerie, astfel că are adesea limite pe care un inginer sau un alt proiectant nu le are. Chiar dacă frunzele negre ar fi mai bune, limitele evoluției pot împiedica speciile să devină cât mai eficiente posibil. Berman a scris că obținerea unor pigmenți care să funcționeze mai bine decât clorofila ar putea fi foarte dificilă. De fapt, se crede că toate plantele superioare (embriofite) au evoluat de la un strămoș comun care este un fel de algă verde - astfel încât clorofila a evoluat o singură dată (strămoș comun).

Shil DasSarma, genetician microbian de la Universitatea din Maryland, a subliniat că speciile de archaea folosesc o altă moleculă care absoarbe lumina, retinal, pentru a obține energie din spectrul verde. Unii oameni de știință cred că arheele care absorb lumina verde au fost cândva cele mai răspândite în mediul terestru. Acest lucru ar fi putut lăsa deschisă o "nișă" pentru organismele verzi care să absoarbă celelalte lungimi de undă ale luminii solare. Aceasta este doar o posibilitate, iar Berman a scris că oamenii de știință nu sunt încă convinși de nicio explicație.

Clorofila este un pigment de clorină, care este similar din punct de vedere structural și este produs prin aceeași cale metabolică ca și alți pigmenți de porfirină, cum ar fi hema. În centrul inelului de clorină se află un ion de magneziu. În cazul structurilor descrise în acest articol, unii dintre liganzii atașați centrului Mg²⁺ sunt omisi pentru claritate. Inelul de clorină poate avea mai multe lanțuri laterale diferite, incluzând de obicei un lanț lung de fitol. Există câteva forme diferite care apar în mod natural, dar forma cea mai răspândită în plantele terestre este clorofila a. Structura generală a clorofilei a a fost elaborată de Hans Fischer în 1940. În 1960, când se cunoștea cea mai mare parte a stereochimiei clorofilei a, Robert Burns Woodward a publicat o sinteză totală a moleculei. În 1967, ultima elucidare stereochimică rămasă a fost finalizată de Ian Fleming, iar în 1990 Woodward și coautorii au publicat o sinteză actualizată. În 2010, un pigment fotosintetic cu lumină aproape infraroșie numit clorofilă f ar fi putut fi descoperit în cianobacterii și alte microorganisme oxigenate care formează stromatolite.

Diferitele structuri ale clorofilei sunt rezumate mai jos:

Aparatele de măsurare a conținutului de clorofilă măsoară absorbția optică a unei frunze pentru a estima conținutul de clorofilă al acesteia. Moleculele de clorofilă absorb în benzile albastre și roșii, dar nu și în benzile verzi și infraroșii. Aparatele de măsurare a conținutului de clorofilă măsoară cantitatea de absorbție în banda roșie pentru a estima cantitatea de clorofilă prezentă în frunză. Pentru a compensa variația grosimii frunzelor, clorofilimetrele măsoară, de asemenea, absorbția în banda infraroșie, care nu este afectată în mod semnificativ de clorofilă.

Conținutul de clorofilă al frunzelor poate fi măsurat în mod nedistructiv cu ajutorul unor aparate de măsură portabile, alimentate cu baterii. Măsurătorile efectuate de aceste dispozitive sunt simple, rapide și relativ ieftine. În prezent, acestea dispun de o capacitate mare de stocare a datelor, de calcularea mediei și de afișaje grafice.

Spectrofotometrie

Măsurarea absorbției luminii este complicată de solventul utilizat pentru a o extrage din materialul vegetal, care afectează valorile obținute,

• În eter dietilic, clorofila a are maxime de absorbție aproximative de 428 nm și 660 nm, în timp ce clorofila b are maxime aproximative de 453 nm și 642 nm.
• Vârful de absorbție al clorofilei a este la 666 nm.

La angiosperme, ultima etapă a sintezei clorofilei este dependentă de lumină. Astfel de plante sunt palide (etiolate) dacă sunt cultivate în întuneric. Plantele nevasculare și algele verzi au o enzimă suplimentară independentă de lumină și, în schimb, cresc verzi în întuneric.

Cloroza este o afecțiune în care frunzele nu produc suficientă clorofilă, astfel încât acestea devin galbene. Cloroza poate fi cauzată de un deficit de fier - numită cloroză ferică - sau de un deficit de magneziu sau azot. pH-ul solului afectează uneori aceste tipuri de cloroză. Multe plante sunt adaptate pentru a crește în soluri cu niveluri specifice de pH, iar capacitatea lor de a absorbi nutrienții din sol poate depinde de acest lucru. Cloroza poate fi, de asemenea, cauzată de agenți patogeni, inclusiv viruși, bacterii și infecții fungice, sau insecte care sug seva.

• Xantofila