کلروفیل چیست؟ – ساختار و انواع آن

کلروفیل یا سبزینه رنگیزه های سبز رنگی است که با جذب کردن نور خورشید و تبدیل آن به انرژی، از آب و کربن دی اکسید، کربوهیدرات می سازد. وجود این رنگیزه ها برای انجام فتوسنتز ضروری است و رنگ سبز گیاهان به دلیل وجود آن ها است. در این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک با ساختار انواع و عملکرد کلروفیل که در فصل ۱۲ علوم پایه نهم آمده است آشنا می شویم.

کلروفیل چیست

سبزینه مولکول شیمیایی است که نور خورشید را جذب کرده و از دی اکسید کربن و آب، اکسیژن و کربوهیدرات تولید می کند و وظیفه آن فتوسنتز کردن است. این مولکول در بیشتر گیاهان، خزه ها، سیانو باکتری ها و باکتری های فتواتوتروف یا فتوسنتز کننده وجود دارد. سبزینه، از سری با جنس پورفیرین منیزیم دار و دم فیتولی که زنجیره ی هیدروکربنی آب گریزی است، ساخته شده است و انواع مختلفی دارد.

کلروفیلها در کجا قرار دارند

در گیاهان که یوکارویوت هستند، اندامکی به نام کلروپلاست وجود دارد که درون غشای تیلاکوئیدی آن در فتوسیستم های l و ll رنگدانه ها (سبزینه) وجود دارند. در سلول های پروکاریوتی که فاقد اندامک کلروپلاست و به طور کلی اندامک هستند، مثل سیانوباکتری ها فرایند فتوسنتز در سیتوپلاسم انجام می شود و رنگدانه ها در آن قرار دارند.

ساختار کلروفیلها

سر این مولکول از زنجیره پورفیرینی متصل به یک اتم مرکزی ساخته شده است و شباهت زیادی به گروه (هم) موجود در هموگلوبین دارد. تفاوت سبزینه با مولکول هم در این است که اتم مرکزی در هم آهن بوده ولی در سبزینه یون منیزیم است. انواع مختلفی کلروفیل داریم اما همه آن ها در ساختارشان دارای یک حلقه پنجم پیرول مانند هستند. دم این مولکول، از جنس زنجیره های کربن متصل شده توسط یک گروه کربوکسیلیک اسید به هم است. این رنگدانه ها برای به دام انداختن نور و انتقال آن به زنجیره های دیگر در حین فتوسنتز، متصل به پروتئین هایی هستند که آن ها را در حالت مناسب نگه می دارد.

انواع کلروفیل

کلروفیلها انواع مختلفی دارند که شامل کلروفیلهای a، b، c، d، e و f هستند.

کلروفیل های a و b

تنها ترکیب یکی از زنجیره های جانبی این دو سبزینه اندکی با هم متفاوت است و هر دو آن ها گیرنده های نوری بسیار قوی با پیوند های یگانه و دوگانه متناوب هستند. کلروفیلهای a و b فراوان ترین کلروفیلهای گیاهی هستند، همچنین کلروفیل a فراوان ترین کلروفیل در گیاهان زمینی است. طیف و طول موج جذبی این سبزینه ها به دلیل تفاوت در زنجیره جانبی، با هم متفاوت است. به طوری که کلروفیل b در طول موج ۴۶۰ نانومتر حداکثر میزان جذب را دارد ولی نور در این طول موج  توسط کلروفیل a به خوبی قابل جذب نیست. این ویژگی باعث می شود که این رنگدانه ها، قدرت جذبی یکدیگر را پوشش دهند و حداکثر کارایی را داشته باشند.

گیاهان قادر به این هستند که انرژی مورد نیازشان را از نور آبی و قرمز بگیرند ولی در ناحیه ای بین ۵۰۰ تا ۶۰۰ نانومتر می توانند مقدار اندکی از نور در این محدوده را جذب کنند (تمام گیاهان فتوسنتز کننده، کلروفیل a را دارند).

کلروفیل a علاوه بر نقش داشتن در کمپلکس های برداشت نور در واکنش های مرکزی هم ایفای نقش می کند. کلروفیل b هم به عنوان رنگیزه مکمل آن، دارای عملکردی ۳ برابر بیشتر از کلروفیل a است. گیاهان سبز، جلبک ها و پروکلروفیت ها (گروهی از باکتری های فتوسنتز کننده) نیز، دارای سبزینه هستند. در گیاهان و سایر موجوداتی که کلروفیل b دارند، این رنگدانه ۵۰ درصد رنگیزه ها را تشکیل داده و در آنتن کمپلکس های فتوسیستم ll قرار دارد.

کلروفیل c

این رنگدانه در ۹ نوع از جلبک ها (جلبک های کروموفیت) و دو نوع از پروکاریوت ها یافت می شود و در حالت طبیعی به رنگ طلایی مایل به سبز است. کلروفیل c از جنس منیزیم فیتوپورفرین است ولی سایر رنگیزه ها منیزیم کلرین هستند. این سبزینه می تواند با سایر سبزینه ها و کاروتنوئید ها، بسته به نوع میکروارگانیسم همراه شود. ساختار این رنگدانه در حلقه c-17 اسید پروپیونیک موجود در زنجیره جانبی کلروفیل های a و b با اسید پروپنوئیک (یک اسید ترانس اکرلیک) جا به جا می شود. پروتوکلروفیلید ها یا کلروفیلهای قطبی، اشکالی از کلروفیل با ماهیت قطبی می باشند و چون توانایی برداشت نور را دارند، کلروفیل در نظر گرفته می شوند. سبزینه های C_۱، C_۲، C_۳ و C_s – ۱۷۰ انواع شناخته شده تا به امروز هستند.

کلروفیل d

این رنگدانه در سیانو باکتری ها و جلبک های قرمز وجود دارد و طیف انتهایی نور قرمز را جذب می کند. در کلروفیل d به جای گروه C_۳ وینیل کلروفیل a  گروه فرمیل قرار دارد. برای موجوداتی مثل acariochloris marina، امکان رشد در محیط های کم نور و جذب نور تخلیه شده از طول موج های قرمز و آبی با وجود این رنگیزه میسر شده است.

کلروفیل f

این رنگدانه در سیانو باکتری های مناطق مرطوب یافت می شود و جدید ترین سبزینه شناخته شده است. این رنگدانه، مقادیر بالای نور نزدیک به مادون قرمز را جذب می کند و از این نظر اهمیت دارد، زیرا تا قبل از کشف آن گمان نمی رفت که موجودات فتوسنتز کننده بتوانند نور مادون قرمز را جذب کرده و از آن برای تولید انرژی استفاده کنند.

تغییرات کلروفیلها در اثر پخته شدن

سبزیجات در اثر پخته شدن و حرارت دیدن می توانند سبزینه خود را از دست دهند، زیرا اتم مرکزی منیزیم موجود در پورفیرین، با یون های هیدروژن جایگزین شده و گیاه بی رنگ می شود یا به رنگ سبز مایل به زرد در می آید. در واقع این عمل باعث تغییر طیف جذبی مولکول و انرژی درونی آن می شود.

کلروفیلها چگونه ساخته می شوند

وقتی اسید آمینه گلوتامات طی مسیر مشترک با هم و سیروهم سنتز می شود، کلروفیلها را می سازد، البته این مسیر ساخت در رابطه با  برخی از گیاهان صدق می کند. بیوسنتز کلروفیل a، با آنزیم کلروفیل سنتتاز و بیوسنتز کلروفیل b، با آنزیم مشابهی انجام می گیرد. گروهی از گیاهان مثل آنژیوسپرم ها (گیاهان گلداری که دانه هایشان درون تخمدان قرار دارد)، در صورت عدم وجود نور گیاه بی رنگ می شوند و کلروفیل در آن ها ساخته نمی شود. در حالی که در گیاهان بدون آوند و جلبک های سبز، آنزیم مستقل از نوری وجود دارد که سنتز کلروفیل را در نبود نور، ممکن می سازد.

در صورت نبود نور، پروتوکلروفیلید که واسطه سنتز سبزینه است و بیشتر به شکل آزاد وجود دارد، به عنوان عامل فتوسنتز کننده عمل کرده و رادیکال های آزاد که سمی هستند را تولید می کند. به همین دلیل وجود مکانیزمی کار آمد برای تنظیم میزان تبدیل این پیش ماده به کلروفیل، ضروری است. در آنژوسپرم ها اسید آمینولولونینیک، یکی از ترکیبات واسطه است. سطح زیاد و سمی از اسید آمینولولونینیک در گیاهانی که از این ماده تغذیه می شوند، تجمع می یابد.

پیری و چرخه کلروفیل ها

در فرایند پیری، کلروفیلها تخریب می شوند. آنزیم کلروفیلاز زنجیره جانبی فیتیل را هیدرولیز می کند تا واکنشی که طی آن از کلروفیدهای a و b کلروفیل تولید می شود، معکوس شود. تبدیل کلروفید a به کلروفیدb  و بالعکس موجب ایجاد یک چرخه می شود. ۷۱ هیدروکسی کلروفیل a کلروفیل b را به کلروفیل a تبدیل، و چرخه تکمیل می شود . در مرحله بعدی کلروفیلید ها تترا پیرول های بی رنگی به نام کاتابولیت های کلروفیل غیر فلوئورسنت، تبدیل می شوند. این ترکیبات در میوه های رسیده و گیاهان برگ ریز وجود دارند.

کلروز چیست

وقتی رنگ برگ گیاه زرد می شود، گیاه نمی تواند کلروفیل کافی تولید کند و در صورتی که کلروفیل کافی وجود نداشته باشد، فتوسنتز و تولید کربوهیدرات کاهش می یابد، به این پدیده کلروز می گویند (به جز گیاهانی که دارای کربوهیدرات های خارجی هستند). کلروفیل می تواند به دلایل مختلفی از جمله کمبود کلسیم، نیتروژن، منیزیم، آهن و یا تغییر PH خاک که در نتیجه کمبود کلروز مواد مغذی است، یا عوامل بیماریزا مثل ویروس ها، باکتری ها، عفونت های قارچی و حشرات مکنده شیره اتفاق بیفتد.

گیاهان مختلف برای رشد در خاک هایی با PH های مختلف سازگار شده اند. و بسته به اسیدیته خاک می توانند مواد مغذی را جذب کنند. بنابراین اگر اسیدیته مناسب گیاه مور نظر نباشد، وجود مقدار کافی مواد معدنی در خاک هم، باعث افزایش جذب مواد مغذی نمی شود چون ظرفیت جذب این مواد توسط گیاه پایین می آید.

فتوسنتز چیست

فتوسنتز فرایندی است که طی آن انرژی خورشید جذب می شود و طی فرایندی شیمیایی موجب تبدیل دی اکسید کربن و آب به مولکول های آلی مثل کربوهیدرات ها می شود. این قابلیت علاوه بر این که موجب تولید مثل و رشد گیاهان می شود، منبع غذایی جانداران دیگر که مصرف کننده هستند را نیز تامین می کند.

عملکرد کلروفیل ها در فتوسنتز

در زنجیره انتقال الکترون، الکترون های بر انگیخته کلروفیلها با جذب نور، به تولید انرژی می پردازند و در این فتوسیستم کلروفیل، دهنده الکترون محسوب می شود. رزونانس انرژی نوعی از واکنش های الکترومگنتیک است که در آن انرژی بین رنگیزه ها تبادل می شود. بعد از جذب نور توسط رنگیزه ها یک الکترون از فتوسیستم ۲ برانگیخته شده و این الکترون قبل از رسیدن به آخرین گیرنده، به ترتیب از یک مولکول آلی به نام پلاستوکینون، یک مجموعه سیتوکروم و در آخر از پروتئین حاوی مسی به نام پلاستوسیانین عبور می کند. این انتقال الکترون موجب تولید انرژی لازم برای پمپاژ الکترون از استروما شده و سطح انرژی را بالا می برد. این الکترون در فتوسیستم l دوباره به کلروفیل a چسبیده و انرژی می گیرد.

این الکترون برانگیخته شده، ابتدا به پایین زنجیره انتقال الکترون دیگری که کوتاه تر از زنجیره فتوسیستم ll است می رسد، سپس توسط آنزیم NADP ردوکتاز الکترون را به NADP منتقل کرده و NADPH تولید می کند که بعدا وارد چرخه کالوین می شود. چرخه کالوین شامل واکنش های مستقل از نوری است که در سه مرحله تثبیت، احیا و تولید انجام می گیرد و در نتیجه محصولات حاصل از فتوسنتز یعنی مواد آلی تولید می شوند.

مصارف کلروفیلها

امروزه از این رنگیزه برای تولید افزودنی رنگ مجاز سبز استفاده می کنند، که به شیرینی و غذا و نوشیدنی ها افزوده می شود. از آنجایی که کلروفیلها در آب نا محلول هستند، باید ابتدا با مقداری روغن نباتی مخلوط شود تا رنگ مورد نظرمان ظاهر شود.

فواید کلروفیلها

این مولکول ها به دلیل خواص زیر مصارف دارویی زیادی دارند و گاهی به عنوان مکمل غذایی استفاده می شوند، این خواص عبارت اند از:

٭ تحریک خون سازی

٭ خاصیت ضد التهاب

٭ افزایش سطح انرژی

٭ آنتی اکسیدان قوی

٭ تقویت سیستم ایمنی

٭ پیشگیری از ابتلا به سرطان

٭ از بین بردن بوی بد

٭ افزایش متابولیسم کاهش

٭ ضد التهاب

٭  مبارزه با استرس اکسیداتیو

٭ ترمیم کنندگی

٭ کاهش فشار خون

٭ افزایش حرکات دودی روده

٭ کاهش کلسترول خون

٭ تحریک تولید گلبول های قرمز

مکمل هایی که حاوی این رنگیزه هستند نیز برای سلامت پوست و مو و کمک به باروری مردان استفاده می شوند. این مکمل ها معمولا از جلبک هایی مثل اسپیرولینا و کلرا ساخته می شوند که علاوه بر کلروفیل حاوی مقادیر بالایی آمینو اسید، ویتامین و مواد معدنی هستند.

کلروفیل برای چی خوبه

کلروفیل یک رنگدانه طبیعی است که به گیاهان رنگ سبز تیره می دهد. کلروفیل همچنین برای فتوسنتز، فرآیندی که در آن گیاهان از نور خورشید برای دریافت مواد مغذی از دی اکسید کربن و آب استفاده می کنند، ضروری است. وقتی گیاهان سبز برگ را می خورید، کلروفیل دریافت می کنید. مکمل‌های کلروفیل نیز وجود دارند که حاوی ترکیبی به نام کلروفیل مشتق شده هستند. کلروفیل مایع نمونه‌ای از مکمل‌های محبوب کلروفیل است.

تحقیقات نشان می دهد که کلروفیل و مکمل های کلروفیل ممکن است سلامت و تندرستی را از طرق مختلف بهبود بخشند. به عنوان مثال، برخی تحقیقات نشان داده است که کلروفیل دارای خواص آنتی اکسیدانی است و ممکن است فواید سلامتی خاصی مانند کاهش التهاب داشته باشد. آنتی اکسیدان ها موادی هستند که می توانند از آسیب سلولی جلوگیری کرده یا آن را به تاخیر بیندازند. این به این دلیل است که آنتی اکسیدان ها می توانند با استرس اکسیداتیو، که تصور می شود باعث آسیب سلولی و بیماری می شود، مبارزه کنند. داشتن یک رژیم غذایی غنی از آنتی اکسیدان ممکن است بتواند به مبارزه با اثرات پیری کمک کند. همچنین ممکن است خطر ابتلا به تعدادی از بیماری های جدی مانند بیماری آلزایمر، دیابت و سرطان را کاهش دهد.

کلروفیل حاوی ترکیبات ضد التهابی مانند فیتول است که به کاهش التهاب در سراسر بدن کمک می کند بر اساس برخی تحقیقات، مصرف مکمل های کلروفیل می تواند تورم و درد را در افراد مبتلا به بیماری های التهابی مانند آرتریت روماتوئید کاهش دهد. تحقیقات بیشتری برای تایید این یافته های اولیه مورد نیاز است تحقیقات نشان می دهد که کلروفیل شبیه هموگلوبین است، پروتئینی در گلبول های قرمز خون که اکسیژن را به بقیه بدن می رساند. در برخی موارد، کلروفیل ممکن است بتواند عملکرد هموگلوبین را تقلید کند