Хлорофилл. Характеристика. Физические и химические свойства. Применение в медицине

 

ГБОУ ВПО «Сибирский государственный медицинский университет»

Росздрава

 

Фармацевтический  факультет

 

Кафедра фармацевтической химии

 

Балахнова Екатерина  Андреевна

 

Хлорофилл. Характеристика. Физические и химические свойства. Применение в медицине.

 

Курсовая работа

 

 

Студентка IV курса

Группа 3902

Балахнова Е.А.

Руководитель, зав. кафедрой,

проф., д.ф.к.

Ермилова Е.В.

 

 

 

Томск – 2013

 

Содержание

 

1. Введение…………………………………………………….3
2. Характеристика………………………………………….....5
3. Свойства…………………………………………………….8
1. Физические свойства………………………………......8
2. Химические свойства…………………………………10
4. Применение в медицине…………………………………..19
5. Литература…………………………………………………25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

 

Возможность экстракции зеленых пигментов листьев спиртом  была известна уже французскому ученому Ж. Сенебье в 1782—1800 гг. В 1817 г. французские химики П. Пельтье и Ж. Кованту назвали зеленый спиртовой раствор смеси растительных пигментов хлорофиллом. Экспериментальные доказательства того, что поглощенный хлорофиллом свет приводит к фотосинтезу, были получены в параллельных исследованиях российского ученого К. А. Тимирязева и немецкого ученого Н. Мюллера в 1872—1876 гг. Это представление стало общепринятым после работ немецкого ученого Рейнке (1884—1885 гг.). Многие исследователи пытались найти способы очистки зеленых пигментов и определения их химической структуры. В частности, российский ботаник И. П. Бородин в 1882 описал получение производного хлорофилла — кристаллического этилхлорофиллида при действии этанола на листья. Эти исследования были подтверждены и продолжены российским исследователем Н. А. Монтеверде в 1893. Задача выделения чистых зеленых пигментов была решена в 1906—1908 гг. российским ученым М. С. Цветом с помощью разработанного им хроматографического метода. Цвет показал, что зеленый пигмент растений является смесью двух пигментов, названных позже хлорофиллами а и b.

Химическую  структуру хлорофилла а выяснили немецкие ученые Р. Вильштеттер, А. Штоль и Х. Фишер. Фишер начал работы по химическому синтезу хлорофилла, а полный синтез хлорофилла был выполнен американским химиком Р. Вудвордом в 1960.

Способность хлорофиллов  in vitro к обратимому переносу электрона под действием света была экспериментально установлена в работах российского ученого А. А. Красновского в 1948—1950 гг. и последующих работах его школы. Обратимые фотопревращения хлорофилла в фотосинтезирующих клетках были первоначально обнаружены голландскими исследователями Л. М. Н. Дейзенсом (1952) на примере бактериохлорофилла пурпурных бактерий и затем Б. Коком на хлорофилле хлоропластов (1956—1957 гг.).

Эти работы послужили  основой для понимания функции  хлорофилла в фотосинтетическом  аппарате.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Характеристика

 

Хлорофилл (от греч. chloros — зеленый и phyllon — лист), зеленый пигмент растений, с помощью которого они улавливают энергию солнечного света и осуществляют фотосинтез, т. е. превращают солнечную энергию в энергию химических связей органических соединений. Содержится и в фотосинтезирующих организмах других видов — водорослях и бактериях. С точки зрения химического строения хлорофилл неоднороден. Существуют различные типы хлорофиллов. Основой химического строения всех хлорофиллов является сложное циклическое соединение — порфирин, содержащий центральный атом Mg и многоатомный гидрофобный спиртовый остаток.

Основу хлорофилла составляет макроцикл, содержащий четыре пиррольных кольца и ион Mg²⁺ в центре. В боковых цепях присутствуют углеводородные радикалы разной длины и насыщенности и кислородсодержащие функциональные группы. Существует 5 видов хлорофиллов — a, b, c₁, c₂, d, которые отличаются типом боковых цепей. В растениях содержатся только хлорофиллы a и b, включающие длинную углеводородную фитильную цепь.

 

Хлорофилл содержит полностью сопряженную тетрапиррольную систему (18-электронов), поэтому поглощает свет в видимом диапазоне. Максимум поглощения хлорофилла a приходится на голубую и желтую области спектра. Сочетание этих цветов и обусловливает характерный зеленый цвет свежих листьев.

 

Хлорофилл —  главная структурная единица  фотосинтетических светособирающих устройств (антенн) зеленых растений, которые представляют собой наноразмерные супрамолекулярные комплексы, содержащие до нескольких сот пигментов, находящихся в белковом окружении. Основные функции хлорофилла — поглощение света, превращение световой энергии в электронную и передача ее посредством ван-дер-ваальсового (диполь-дипольного) взаимодействия соседним молекулам. По цепи хлорофиллов электронная энергия передается к реакционному центру фотосинтеза, где используется для пространственного разделения заряда и последующих окислительно-восстановительных реакций. Хлорофиллы также входят в состав реакционных центров зеленых растений, где играют роль первичных доноров электронов.

 

В растениях  хлорофиллы в составе антенн и  реакционных центров расположены в фотосинтетических мембранах, где пространственно закрепляются в определенных местах с помощью фитильных боковых цепей и дополнительного комплексообразования между ионом Mg²⁺ и полипептидными цепями белков.

 

В пурпурных  и зеленых бактериях функции  хлорофилла выполняют бактериохлорофиллы, у которых, в отличие от хлорофилла, одно или два пиррольных кольца частично гидрированы. Благодаря этому бактериохлорофиллы поглощают свет больших длин волн (и меньшей энергии), чем хлорофиллы.

 

  

Рис .1. Структурная формула хлорофиллов a и b.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Свойства

 

3.1 Физические  свойства

 

Как уже отмечалось, хлорофилл способен к избирательному поглощению света. Спектр поглощения данного соединения определяется его способностью поглощать свет определенной длины волны (определенного цвета). Для того чтобы получить спектр поглощения, К.А. Тимирязев пропускал луч света через раствор хлорофилла. Часть лучей поглощалась хлорофиллом, и при последующем пропускании через призму в спектре обнаруживались черные полосы. Было показано, что хлорофилл в той же концентрации, как в листе, имеет две основные линии поглощения в красных и сине-фиолетовых лучах. При этом хлорофилл а в растворе имеет максимум поглощения 429 и 660 нм, тогда как хлорофилл b — 453 и 642 нм. Однако необходимо учитывать, что в листе спектры поглощения хлорофилла меняются в зависимости от его состояния, степени агрегации, адсорбции на определенных белках. В настоящее время показано, что есть формы хлорофилла, поглощающие свет с длиной волны 700, 710 и даже 720 нм. Эти формы хлорофилла, поглощающие свет с большой длиной волны, имеют особенно важное значение в процессе фотосинтеза.

 

Рис. 2. Спектры  поглощения хлорофиллов а и b

Хлорофилл обладает способностью к флуоресценции. Флуоресценция  представляет собой свечение тел, возбуждаемое освещением и продолжающееся очень короткий промежуток времени (10-8—10-9 с). Свет, испускаемый при флюоресценции, имеет всегда большую длину волны по сравнению с поглощенным. Это связано с тем, что часть поглощенной энергии выделяется в виде тепла. Хлорофилл обладает красной флуоресценцией.

По химическому  строению хлорофиллы — сложные эфиры  дикарбоновой органической кислоты  — хлорофиллина и двух остатков спиртов — фитола и метилового. Эмпирическая формула — C₅₅H₇₂О₅N₄Mg. Хлорофиллин представляет собой азотсодержащее металлорганическое соединение, относящееся к магнийпорфиринам.

 

 

 

 

2. Химические свойства

 

В хлорофилле водород  карбоксильных групп замещен  остатками двух спирит — метилового СН₃ОН и фитола С₂₀Н₃₉ОН, поэтому хлорофилл является сложным эфиром. На рисунке дана структурная формула хлорофилла а. Хлорофилл b отличается тем, что содержит на два атома водорода меньше и на один атом кислорода больше (вместо группы СН₃ группа СНО). В связи с этим молекулярная масса хлорофилла а — 893 и хлорофилла b — 907.

Рис.3. Строение хлорофилла а (А) и хлорофилла b (Б)

 

В 1960 г. Г.Б. Вудворд  осуществил полный синтез хлорофилла.

Синтез хлорофилла а - одно из замечательных достижений в области органической химии. Полный синтез включает 46 стадий. Его основные этапы представлены схемами 2 и 3.

Первый этап заключается в последовательном синтезе порфирина VII из четырех пирролов-предшественников колец A-D молекулы хлорофилла через два дипирролилметана (схема 2).

Второй этап - превращение порфирина VII в триметиловый эфир хлорина е₆ (VIII) с транс-конфигурацией при атомах С-17 и С-18 (так называемая пурпуриновая реакция; схема 3), последняя циклизация которого приводит к хлорофиллу а.

 

В центре молекулы хлорофилла расположен атом магния, который соединен четырьмя атомами азота пиррольных группировок. В пиррольных группировках хлорофилла имеется система чередующихся двойных и простых связей. Это N есть хромофорная группа хлорофилла, обусловливающая поглощение определённых лучей солнечного спектра и его окраску. Диаметр порфиринового ядра составляет 10 нм, а длина фитольного остатка — 2 нм. Расстояние между атомами азота пиррольных группировок в ядре хлорофилл составляет 0,25 нм. Интересно, что диаметр атома магния равен 0,24 нм. Таким образом, магний почти полностью заполняет пространство между атомами азота пиррольных группировок. Это придает ядру молекулы хлорофилла дополнительную прочность.

 

Еще К.А. Тимирязев обратил  внимание на близость химического строения двух важнейших пигментов: зеленого — хлорофилла листьев и красного — гемина крови. Действительно, если хлорофилл относится к магнийпорфиринам, то гемин — к железопорфиринам. Сходство это не случайно и служит еще одним доказательством единства всего органического мира. Одной из специфических черт строения хлорофилла является наличие в его молекуле помимо четырех гетероциклов еще одной циклической группировки из пяти углеродных атомов — циклопентанона. В циклопентановом кольце содержится кетогруппа, обладающая большой реакционной способностью. Есть данные, что в результате процесса энолизации по месту этой кетогруппы к молекуле хлорофилла присоединяется вода. Молекула хлорофилла полярна, ее порфириновое ядро обладает гидрофильными свойствами, а фитольный конец — гидрофобными. Это свойство молекулы хлорофилла обусловливает определенное расположение ее в мембранах хлоропластов. Порфириновая часть молекулы связана с белком, а фитольная цепь погружена в липидный слой.

 

Извлеченный из листа хлорофилл легко реагирует  как с кислотами, так и со щелочами. При взаимодействии со щелочью происходит омыление хлорофилла, в результате чего образуются два спирта и щелочная соль кислоты хлорофиллина. В интактном живом листе от хлорофилла может отщепляться фитол под воздействием фермента хлорофиллазы. При взаимодействии со слабой кислотой извлеченный хлорофилл теряет зеленый цвет, образуется соединение феофитин, у которого атом магния в центре молекулы замещен на два атома водорода. Хлорофилл в живой интактной клетке обладает способностью к обратимому фотоокислению и фотовосстановлению. Способность к окислительно-восстановительным реакциям связана с наличием в молекуле хлорофилла сопряженных двойных связей с подвижными л-электронами и атомов азота с неподеленными электронами. Азот пиррольных ядер может окисляться (отдавать электрон) или восстанавливаться (присоединять электрон).

 

Исследования  показали, что свойства хлорофилла, находящегося в листе и извлеченного из листа, различны, так как в листе  он находится в комплексном соединении с белком. Это доказывается следующими данными:

 

1. Спектр поглощения хлорофилла, находящегося в листе, иной  по сравнению с извлеченным  хлорофиллом.

 

2. Хлорофилл невозможно  извлечь абсолютным спиртом из  сухих листьев. Экстракция протекает  успешно, только если листья  увлажнить или к спирту добавить воды, которая разрушает связь между хлорофиллом и белком.

 

3. Выделенный из листа  хлорофилл легко подвергается  разрушению под влиянием самых  разнообразных воздействий (повышенная  кислотность, кислород и даже  свет).

 

Между тем в  листе хлорофилл достаточно устойчив ко всем перечисленным факторам. Следует отметить, что хотя крупный русский ученый В. Н. Любименко и предлагал этот комплекс назвать хлороглобином, по аналогии с гемоглобином, связь между хлорофиллом и белком иного характера, чем между гемином и белком. Для гемоглобина характерно постоянное соотношение — на 1 молекулу белка приходится 4 молекулы гемина. Между тем соотношение между хлорофиллом и белком различно и претерпевает изменения в зависимости от типа растений, фазы их развития, условий среды (от 3 до 10 молекул хлорофилла на 1 молекулу белка). Связь между молекулами белка и хлорофиллом осуществляется путем нестойких комплексов, образующихся при взаимодействии кислотных групп белковых молекул и азота пиррольных колец. Чем выше содержание дикарбоновых аминокислот в белке, тем лучше идет их комплексирование с хлорофиллом (Т.Н. Годнев). Белки, связанные с хлорофиллом, характеризуются низкой изоэлектрической точкой (3,7—4,9). Молекулярная масса этих белков порядка 68 кДа. Вместе с тем хлорофилл может взаимодействовать и с липидами мембран. Важным свойством молекул хлорофилла является их способность к взаимодействию друг с другом. Переход из мономерной в агрегированную форму возник в результате взаимодействия двух и более молекул при их близком расположении друг к другу. В процессе образования хлорофилла его состояние в живой клетке закономерно меняется. При этом и происходит его агрегация.