葉綠體色素

1．葉綠體色素的功能

葉綠素和類胡蘿卜素都包埋在類囊體膜中，與蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，組成色素蛋白復(fù)合體， 根據(jù)功能來(lái)區(qū)分，葉綠體色素可分為二類：

（1）作用中心色素：葉綠素分子含有一個(gè)卟啉環(huán)的“頭部”和一個(gè)葉綠醇的“尾部”，呈蝌蚪型，大卟啉環(huán)由四個(gè)小吡咯環(huán)以四個(gè)含有雙鍵的甲烯基（-CH=）連接而成。鎂原子居于卟啉環(huán)的中央，偏向于帶正電荷，與其相聯(lián)的氮原子則偏向于帶負(fù)電荷，因而其“頭部”具有極性，是親水的，可以與膜上的蛋白質(zhì)結(jié)合；而其“尾部”是葉綠酸的雙羧基被甲醇和葉醇所酯化后形成的脂肪鏈，具疏水親脂性，可以與膜上的雙卵磷脂層結(jié)合，因此，這決定了葉綠素分子在類囊體膜上是有規(guī)則的定向排列。極少數(shù)具特殊狀態(tài)的chla分子，其卟啉環(huán)上的共軛雙鍵易被光激發(fā)而使電子與電荷分離，引起光能轉(zhuǎn)化為電能的重要反應(yīng)，因此這些chla分子是光合作用的重要色素，稱“作用中心色素”；

（2）天線色素（聚光色素）：沒(méi)有光化學(xué)活性，只有收集光能的作用，包括大部分chla 和全部chlb、胡蘿卜素、葉黃素。這些色素排列在一起，象漏斗一樣，把光傳遞集中到作用中心色素，引起光化學(xué)反應(yīng)。類胡蘿卜素還是一種保護(hù)性色素，在光過(guò)強(qiáng)時(shí)，可耗散過(guò)剩激發(fā)能，消除活性氧自由基，防止光合器官被氧化損傷。

（1）色素的吸收光譜

太陽(yáng)光不是單色光，如果將它通過(guò)三棱分光鏡，可以看到由赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色的光所組成的連續(xù)光譜，稱太陽(yáng)光譜 (見(jiàn)圖7-5)。 圖7-5 太陽(yáng)光的光譜

太陽(yáng)可見(jiàn)光的波長(zhǎng)大約在390~760 nm之間，波長(zhǎng)與能量成反比。如果把葉綠體色素提取液放在光源和分光鏡中間，就可以看到光譜中有些波段的光被色素吸收了，在光譜上出現(xiàn)黑線帶，這種光譜叫葉綠體色素的吸收光譜。從葉綠體色素的吸收光譜可以看出：葉綠體色素對(duì)光的吸收具有選擇性，葉綠素的吸收光譜的最強(qiáng)吸收帶有兩個(gè)（見(jiàn)圖7-6）：一個(gè)在波長(zhǎng)為640~660 nm的紅光部分，另一個(gè)在430~450 nm的藍(lán)紫光部分。在光譜的橙光、黃光和綠光部分只有不明顯的吸收帶，其中尤以對(duì)綠光的吸收最少。由于葉綠素對(duì)綠光吸收最少，所以葉綠素的溶液呈綠色。從圖中看出葉綠素a和葉綠素b相比，吸收光譜略有不同：葉綠素a的紅光部分的吸收帶寬些，偏向長(zhǎng)光波方面，吸收峰較高；在藍(lán)紫光部分的窄些，偏向短光波方面，吸收峰較低。

胡蘿卜素和葉黃素的吸收光譜與葉綠素不同，其最大吸收帶在400～500nm的藍(lán)紫光區(qū)（圖7-7），不吸收紅光等長(zhǎng)波光，而且在藍(lán)紫光部分吸收的范圍比葉綠素寬一些。

太陽(yáng)的直射光含紅光較多，散射光含藍(lán)紫光較多。陰生植物中有較多的類胡蘿卜素，可以利用類胡蘿卜素吸收較多的藍(lán)紫光，把能量轉(zhuǎn)給葉綠素，在較弱的光下，仍能夠進(jìn)行一定強(qiáng)度的光合作用，這是植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中對(duì)環(huán)境形成的一些適應(yīng)特性。

（2）熒光現(xiàn)象和磷光現(xiàn)象

將葉綠素溶液盛于試管內(nèi)，在透射光下看呈綠色，在反射光下看呈深紅色（葉綠素 a為血紅光，葉綠素b為棕紅光），這種現(xiàn)象叫熒光現(xiàn)象。熒光現(xiàn)象產(chǎn)生的原因大致如下：

光具有波粒二象性，對(duì)光合作用有效的可見(jiàn)光的波長(zhǎng)是在400—700 nm之間，同時(shí)光又 是一粒一粒地運(yùn)動(dòng)著的粒子流，每一粒子叫一個(gè)光子，光子所具有的能量，叫做光量子。光子攜帶的能量與光的波長(zhǎng)成反比。每摩爾光量子具有的能量如下：

E=N hυ=Nhc/λ

式中E為能量（千卡），N為阿伏加德羅常數(shù)（6.02×1023），h為普朗克常數(shù)（6.6262×10-34JS），υ為頻率（s-1），c是光速（2.9979×108m s-1），λ是波長(zhǎng)（nm）。每摩爾光量子的能量通常是以千卡或愛(ài)因斯坦來(lái)表示。

當(dāng)葉綠素分子吸收光量子后，就由低能級(jí)的基態(tài)提高到了一個(gè)高能級(jí)的激發(fā)態(tài)（圖7-8）。，根據(jù)波爾（Bohr）理論，電子從近核低能軌道躍到遠(yuǎn)核高能軌道上為激發(fā)態(tài)（第一、二單線態(tài)），激發(fā)態(tài)的葉綠體分子極不穩(wěn)定，又迅速由激發(fā)態(tài)恢復(fù)到基態(tài)，同時(shí)向空間發(fā)射光子，稱為熒光。恒溫下，熒光的光子要比吸收的光子能量低，所以放出的波長(zhǎng)更長(zhǎng)、顏色更紅些，因而使葉綠素溶液在入射光下呈綠色，而在反射光下呈紅色。

葉綠素的熒光現(xiàn)象說(shuō)明葉綠素能被光所激發(fā)，而葉綠素分子的激發(fā)是其能將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的前提。在整體植物中，葉綠素所吸收的光能被用于光合作用，因此看不到熒光現(xiàn)象。

當(dāng)熒光出現(xiàn)后，立即中斷光源，色素分子仍能持續(xù)短時(shí)間的放出“余輝”，稱磷光現(xiàn)象。這種現(xiàn)象的原因是處于第一單線態(tài)的激發(fā)態(tài)的葉綠素分子，先以熱能的形式丟失掉一部能量，轉(zhuǎn)為一種亞穩(wěn)定態(tài)（第一三線態(tài)），從亞穩(wěn)定態(tài)回到基態(tài)時(shí)放出的光子便為磷光，其壽命比熒光長(zhǎng)（熒光為10-9s，磷光為10-3—10-2s），但比熒光弱。

植物葉綠體色素主要有三類：1）葉綠素 2）類胡蘿卜素 3）藻膽素。高等植物葉綠體中含有前兩類，藻膽素僅存在于藻類植物中。

高等植物體內(nèi)葉綠素（chlorophyll）主要有兩種：葉綠素a、b（簡(jiǎn)寫(xiě)為chla、chlb，其結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖7-3），chla通常呈藍(lán)綠色，而chlb呈黃綠色，chlb是chla局部氧化的衍生物。chla是chlb的三倍，二十世紀(jì)30年代，知道了葉綠素的分子結(jié)構(gòu)，50年代末期，人工合成了葉綠素a，其它色素也幾乎在同時(shí)發(fā)現(xiàn)。

葉綠體中的類胡蘿卜素主要包括胡蘿卜素（carotene）和葉黃素（lutein）兩種，前者呈橙黃色，后者呈黃色。葉黃素是胡蘿卜素的二倍。一般植物葉綠素是類胡蘿卜素的三到四倍；

胡蘿卜素：C40H56 （有α、β、γ三種同分異構(gòu)體）

葉黃素： C40H54（OH）2 (同分異構(gòu)體很多)

這二大類四種色素都不溶于水，而溶于有機(jī)溶劑，如乙醇、丙酮等。通常用80%的丙酮或丙酮：乙醇：水為4.5：4.5：1的混合液來(lái)提取葉綠素。

按化學(xué)性質(zhì)來(lái)說(shuō)，葉綠素是葉綠酸的酯，在堿的作用下，可使其酯鍵發(fā)生皂化作用，生成葉綠酸的鹽，能溶于水，但由于它保留有Mg核的結(jié)構(gòu)，仍保持原來(lái)的綠色。而類胡蘿卜素中，胡蘿卜素是不飽和的碳?xì)浠衔?，β—胡蘿卜素水解可生成2分子維生素A，葉黃素是由胡蘿卜素衍生的二元醇，不能與堿發(fā)生皂化反應(yīng)，根據(jù)這一點(diǎn)，可以將葉綠素和類胡蘿卜素分開(kāi)。此外，葉綠素還可以在酸的作用下，其中的Mg被H所代替形成褐色的去Mg葉綠素：去Mg葉綠素能與其他金屬鹽中的銅、鋅、鐵鹽等代H，又重新呈現(xiàn)綠色，比原來(lái)的綠色更穩(wěn)定。根據(jù)這一原理可用醋酸銅處理來(lái)保存綠色標(biāo)本。

（一）葉綠素的形成

葉綠素在植物體內(nèi)，能不斷的進(jìn)行新陳代謝，如菠菜的葉綠素72小時(shí)更新95.8%；煙草19天后更新50%，其合成與分解受植物遺傳控制（如吊蘭葉的白邊），也與環(huán)境關(guān)系密切。

高等植物的葉綠素形成可以分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段：主要是由α-酮戊二酸（或由其和氨形成的谷氨酸）經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)合成葉綠素的前身物質(zhì)—無(wú)色的原葉綠酯；第二個(gè)階段：原葉綠酯在光下被還原，成為綠色的葉綠素。

（二）葉綠素形成的條件

1．光照 光是葉綠素形成的必要條件，原葉綠素必須經(jīng)過(guò)光照后才能合成葉綠素。缺乏光照或其他某些條件，影響葉綠素形成，使葉子發(fā)黃的現(xiàn)象，稱黃化現(xiàn)象。由于黃化部位，機(jī)械組織不發(fā)達(dá)，肉質(zhì)細(xì)嫩，生產(chǎn)上常用于遮光培育韭黃、蒜黃、蔥白等；而光太強(qiáng)對(duì)葉綠素也不利，會(huì)使葉綠素氧化、褪色、去鎂，并形成對(duì)膜有害的自由基。

有些植物或植物部分無(wú)光照條件也能形成葉綠素，如松、柏，蓮子胚芽等，推測(cè)這些植物中含有代替可見(jiàn)光促進(jìn)葉綠素合成的物質(zhì)。

2．溫度 溫度主要通過(guò)影響葉綠素合成酶的活性而影響葉綠素的合成。一般葉綠素形成的最低溫度為2～4℃，最適26-30℃左右，最高約40℃。早春植物幼芽、葉呈黃綠色，是低溫影響了葉綠素的形成的緣故。

3．礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng) 礦質(zhì)元素對(duì)葉綠素形成也有很大影響。N和Mg是葉綠素的組成成分，F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn等在葉綠素合成過(guò)程中也是必不可缺少的元素，缺少這些元素會(huì)引起缺綠癥。特別是氮素，植株體內(nèi)氮水平高低可影響葉綠色的深淺，生產(chǎn)上以此來(lái)判斷氮肥的豐缺。

4．水分和氧氣 植物缺乏水和O2，不僅抑制葉綠素的形成，還會(huì)促進(jìn)原有葉綠素的分解。所以嚴(yán)重高溫、干旱缺水和澇害缺O(jiān)2時(shí)，葉子常表現(xiàn)黃色褪綠現(xiàn)象。

由于葉綠素的形成受許多條件的影響，所以葉色是反映植物的營(yíng)養(yǎng)情況和健康狀況的一個(gè)很靈敏的指標(biāo)，成為肥水管理和調(diào)控作物生長(zhǎng)發(fā)育的依據(jù)之一。

依功能不同，光合色素可分成天線色素和反應(yīng)中心色素兩類。天線色素捕獲光能，并將光能傳給反應(yīng)中心。極大部分光合色素都起這一作用。反應(yīng)中心色素的作用是以光能來(lái)引起電荷分離及光化學(xué)反應(yīng)。它的主要成分是特殊的葉綠素a,其存在狀態(tài)和光譜性質(zhì)不同于一般的葉綠素a。光合色素所以能表現(xiàn)其特殊功能,是由于它在光合器中以特定的形式和蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等結(jié)合。結(jié)合態(tài)的光合色素的性質(zhì)如吸收光譜、氧化還原電位等，和非結(jié)合態(tài)的有明顯差別。例如,葉綠體中的葉綠素a的紅光波段吸收峰與在丙酮溶液中時(shí)相比，向長(zhǎng)波方向偏數(shù)十納米。光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)的葉綠素在照光時(shí),在700納米處有光吸收變化,光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的則在680納米處有光吸收變化(因而把光系統(tǒng)Ⅰ，Ⅱ分別稱為P700和P680)。在PSⅠ中的葉綠素 a的氧化還原電位比離體時(shí)測(cè)得的數(shù)值低得多。

在光合作用中參與吸收、傳遞光能或引起原初光化學(xué)反應(yīng)的色素。光合色素主要有三大類：葉綠素（包括細(xì)菌葉綠素）、類胡蘿卜素和藻膽素（圖1）。類胡蘿卜素（包括胡蘿卜素和葉黃素）和藻膽素等是對(duì)葉綠素捕獲光能的補(bǔ)充，稱為輔助色素。這些光合色素的一個(gè)共同的特點(diǎn)就是存在較長(zhǎng)的共軛體系（有些是環(huán)形封閉的，有些是線性的），因此可以參與能量傳遞 。

高等植物和大部分藻類的光合色素是葉綠素a,b和類胡蘿卜素;在許多藻類中除葉綠素a,b外,還有葉綠素c,d和藻膽素,如藻紅素和藻藍(lán)素；在光合細(xì)菌中是細(xì)菌葉綠素等；在嗜鹽菌中則是一種類似視紫質(zhì)的色素11-順-視黃醛(11-cis-retinal)。

葉綠素a，b和細(xì)菌葉綠素都由一個(gè)與鎂絡(luò)合的卟啉環(huán)和一個(gè)長(zhǎng)鏈醇組成，它們之間僅有很小的差別。類胡蘿卜素是由異戊烯單元組成的四萜，藻膽素是一類色素蛋白，其生色團(tuán)是由吡咯環(huán)組成的鏈，不含金屬，而類色素都具有較多的共軛雙鍵。除鹽細(xì)菌中的假視紫紅質(zhì)(一種胡蘿卜素)外，它們都不直接參與光化學(xué)反應(yīng)，只參與光的吸收和能量的傳遞，所以曾稱為輔助色素。但葉綠素b和一部分葉綠素a也不直接參加光化學(xué)反應(yīng)，也可看作輔助色素。幾類色素的吸收光譜不同，特別是藻紅素和藻藍(lán)素的吸收光譜與葉綠素的相差很大，這對(duì)于在海洋里生活的藻類適應(yīng)不同的光質(zhì)條件，有生態(tài)意義。