Klorofil

Farklı ölçeklerde klorofil

Klorofil, birçok bitki ve alglerin yeşil renginden sorumludur.

Mikroskopla bakıldığında, klorofil organizmaların içinde kloroplast adı verilen yapılarda yoğunlaşmıştır - burada bitki hücrelerinin içinde gruplanmış olarak gösterilmiştir.

Bitkiler yeşil olarak algılanır çünkü klorofil esas olarak mavi ve kırmızı dalga boylarını emer, ancak hücre duvarları gibi bitki yapıları tarafından yansıtılan yeşil ışık daha az emilir.

Çeşitli klorofil türleri vardır, ancak hepsi bu diyagramın sağ tarafını oluşturan klorin magnezyum ligandını paylaşır. ⓘ

Klorofil (ayrıca klorofil), siyanobakterilerin mezozomlarında ve alg ve bitkilerin kloroplastlarında bulunan birkaç ilgili yeşil pigmentten herhangi biridir. Adı Yunanca χλωρός, khloros ("soluk yeşil") ve φύλλον, phyllon ("yaprak") kelimelerinden türetilmiştir. Klorofil, bitkilerin ışıktan gelen enerjiyi emmesini sağlar. ⓘ

Klorofiller, elektromanyetik spektrumun mavi kısmının yanı sıra kırmızı kısmındaki ışığı da en güçlü şekilde emer. Buna karşılık, spektrumun yeşil ve yeşile yakın kısımlarında zayıf bir emicidir. Bu nedenle klorofil içeren dokular yeşil görünür çünkü hücre duvarları gibi yapılar tarafından difüz olarak yansıtılan yeşil ışık daha az emilir. Yeşil bitkilerin fotosistemlerinde iki tür klorofil bulunur: klorofil a ve b. ⓘ

Klorofil molekülü ⓘ

Klorofiller fotosentez olayında, karbondioksidin şekerlere ve diğer bitki maddelerine redüksiyomunda kullanılan ışık enerjisini emmektir (absorblamaktır). ⓘ

Tarihçe

Klorofil ilk olarak 1817 yılında Joseph Bienaimé Caventou ve Pierre Joseph Pelletier tarafından izole edilmiş ve adlandırılmıştır. Klorofilde magnezyumun varlığı 1906 yılında keşfedildi ve bu element canlı dokularda ilk kez tespit edildi. ⓘ

Alman kimyager Richard Willstätter tarafından 1905-1915 yılları arasında yapılan ilk çalışmalardan sonra, klorofil a'nın genel yapısı 1940 yılında Hans Fischer tarafından aydınlatılmıştır. Klorofil a'nın stereokimyasının çoğunun bilindiği 1960 yılına gelindiğinde, Robert Burns Woodward molekülün tam bir sentezini yayınladı. 1967'de, kalan son stereokimyasal açıklama Ian Fleming tarafından tamamlandı ve 1990'da Woodward ve ortak yazarlar güncellenmiş bir sentez yayınladılar. Klorofil f'nin 2010 yılında siyanobakterilerde ve stromatolit oluşturan diğer oksijenik mikroorganizmalarda bulunduğu açıklandı; C₅₅H₇₀O₆N₄Mg moleküler formülü ve (2-formil)-klorofil a yapısı NMR, optik ve kütle spektrumlarına dayanarak çıkarıldı. ⓘ

Fotosentez

Serbest klorofil a (mavi) ve b'nin (kırmızı) bir çözücü içindeki absorbans spektrumları. Klorofil moleküllerinin spektrumları, spesifik pigment-protein etkileşimlerine bağlı olarak in vivo olarak hafifçe değiştirilir.

Klorofil A

Klorofil B ⓘ

Klorofil, bitkilerin ışıktan enerji almasını sağlayan fotosentez için hayati önem taşır. ⓘ

Klorofil molekülleri, kloroplastların tilakoid membranlarına gömülü olan fotosistemlerin içinde ve etrafında düzenlenmiştir. Bu komplekslerde klorofil üç fonksiyona hizmet eder. Klorofilin büyük çoğunluğunun (fotosistem başına birkaç yüz moleküle kadar) işlevi ışığı absorbe etmektir. Bunu yaptıktan sonra, aynı merkezler ikinci işlevlerini yerine getirir: bu ışık enerjisinin rezonans enerji transferi yoluyla fotosistemlerin reaksiyon merkezindeki belirli bir klorofil çiftine aktarılması. Bu çift, klorofillerin son işlevi olan yük ayrıştırma işlevini yerine getirerek biyosenteze yol açar. Şu anda kabul edilen iki fotosistem birimi, sırasıyla P680 ve P700 olarak adlandırılan kendi farklı reaksiyon merkezlerine sahip olan fotosistem II ve fotosistem I'dir. Bu merkezler, kırmızı tepe emilim maksimumlarının dalga boyuna (nanometre cinsinden) göre adlandırılır. Her bir fotosistemdeki klorofil türlerinin kimliği, işlevi ve spektral özellikleri farklıdır ve birbirleri ve onları çevreleyen protein yapısı tarafından belirlenir. ⓘ

Klorofilin reaksiyon merkezinin işlevi ışık enerjisini absorbe etmek ve fotosistemin diğer kısımlarına aktarmaktır. Fotonun emilen enerjisi, yük ayrımı adı verilen bir süreçte bir elektrona aktarılır. Elektronun klorofilden uzaklaştırılması bir oksidasyon reaksiyonudur. Klorofil, yüksek enerjili elektronu elektron taşıma zinciri adı verilen bir dizi moleküler ara maddeye bağışlar. Klorofilin yüklü reaksiyon merkezi (P680⁺) daha sonra sudan sıyrılan bir elektronu kabul ederek temel durumuna geri indirgenir. P680⁺'yi indirgeyen elektron, nihayetinde suyun birkaç ara madde aracılığıyla O₂ ve H⁺'ya oksidasyonundan gelir. Bu reaksiyon, bitkiler gibi fotosentetik organizmaların O₂ gazı üretme şeklidir ve Dünya atmosferindeki neredeyse tüm O₂'nin kaynağıdır. Fotosistem I tipik olarak Fotosistem II ile seri olarak çalışır; bu nedenle Fotosistem I'in P700⁺'ı genellikle elektron kabul ederken, tylakoid membrandaki birçok ara madde aracılığıyla, nihayetinde Fotosistem II'den gelen elektronlar tarafından indirgenir. Bununla birlikte, tilakoid membranlardaki elektron transfer reaksiyonları karmaşıktır ve P700⁺'yı azaltmak için kullanılan elektron kaynağı değişebilir. ⓘ

Reaksiyon merkezi klorofil pigmentleri tarafından üretilen elektron akışı, H⁺ iyonlarını tilakoid membran boyunca pompalamak için kullanılır ve bir proton-motor kuvveti, esas olarak ATP (depolanmış kimyasal enerji) üretiminde veya NADP⁺ 'yi NADPH'ye indirgemek için kullanılan bir kemiyosmotik potansiyel oluşturur. NADPH, diğer biyosentetik reaksiyonların yanı sıra CO₂'yi şekerlere indirgemek için kullanılan evrensel bir ajandır. ⓘ

Reaksiyon merkezi klorofil-protein kompleksleri, diğer klorofil pigmentlerinin yardımı olmadan ışığı doğrudan absorbe edebilir ve yük ayırma olaylarını gerçekleştirebilir, ancak belirli bir ışık yoğunluğu altında bunun gerçekleşme olasılığı düşüktür. Bu nedenle, fotosistemdeki diğer klorofiller ve anten pigment proteinlerinin hepsi işbirliği içinde ışık enerjisini emer ve reaksiyon merkezine yönlendirir. Klorofil a'nın yanı sıra, bu pigment-protein anten komplekslerinde bulunan ve aksesuar pigmentler olarak adlandırılan başka pigmentler de vardır. ⓘ

Kimyasal yapı

Klorofil a molekülünün uzay doldurma modeli ⓘ

Çeşitli klorofiller bilinmektedir. Hepsi, dört pirol benzeri halkanın ötesinde beşinci, keton içeren bir halkanın varlığı ile ana klorin türevleri olarak tanımlanır. Çoğu klorofil, porfirinlerin (hemoglobinde bulunur) indirgenmiş akrabaları olan klorinler olarak sınıflandırılır. Prekürsör üroporfirinojen III de dahil olmak üzere porfirinlerle ortak bir biyosentetik yolu paylaşırlar. N4 merkezine bağlı demir içeren hemlerin aksine, çoğu klorofil magnezyum bağlar. Mg²⁺ merkezine bağlı eksenel ligandlar genellikle netlik için atlanır. Klorin halkasına genellikle uzun bir fitil zinciri (C₂₀H₃₉O) içeren çeşitli yan zincirler eklenir. Klorofil a ve klorofil b arasındaki tek fark, birincisinde bir metil grubu varken ikincisinde bir formil grubu olmasıdır. Bu fark, absorpsiyon spektrumunda önemli bir farka neden olarak bitkilerin görünür ışığın daha büyük bir kısmını absorbe etmesini sağlar. ⓘ

Klorofillerin yapıları aşağıda özetlenmiştir:

	Klorofil a	Klorofil b	Klorofil c1	Klorofil c2	Klorofil d	Klorofil f ⓘ
Moleküler formül	C55H72O5N4Mg	C55H70O6N4Mg	C35H30O5N4Mg	C35H28O5N4Mg	C54H70O6N4Mg	C55H70O6N4Mg
C2 grubu	-CH3	-CH3	-CH3	-CH3	-CH3	-CHO
C3 grubu	-CH=CH2	-CH=CH2	-CH=CH2	-CH=CH2	-CHO	-CH=CH2
C7 grubu	-CH3	-CHO	-CH3	-CH3	-CH3	-CH3
C8 grubu	-CH2CH3	-CH2CH3	-CH2CH3	-CH=CH2	-CH2CH3	-CH2CH3
C17 grubu	-CH2CH2COO-Phytyl	-CH2CH2COO-Phytyl	-CH=CHCOOH	-CH=CHCOOH	-CH2CH2COO-Phytyl	-CH2CH2COO-Phytyl
C17-C18 bağı	Tek kişilik (klorin)	Tek kişilik (klorin)	Çift (porfirin)	Çift (porfirin)	Tek kişilik (klorin)	Tek kişilik (klorin)
Oluşum	Evrensel	Çoğunlukla bitkiler	Çeşitli algler	Çeşitli algler	Siyanobakteriler	Siyanobakteriler

• Klorofillerin yapıları
• 

  klorofil a

• 

  klorofil b

• 

  klorofil c₁

• 

  klorofil c₂

• 

  klorofil d

• 

  klorofil f ⓘ

Klorofil içeriğinin ölçümü

Klorofil organik çözücülerde koyu yeşil çözeltiler oluşturur. ⓘ

Klorofiller proteinden organik çözücüler içine ekstrakte edilebilir. Bu şekilde, bir yaprak içindeki klorofil konsantrasyonu tahmin edilebilir. Klorofil a ve klorofil b'yi ayırmak için de yöntemler mevcuttur. ⓘ

Dietil eterde, klorofil a yaklaşık 430 nm ve 662 nm absorbans maksimumlarına sahipken, klorofil b yaklaşık 453 nm ve 642 nm maksimumlarına sahiptir. Klorofil a'nın absorpsiyon pikleri 465 nm ve 665 nm'dedir. Klorofil a 673 nm (maksimum) ve 726 nm'de floresan verir. Klorofil a'nın pik molar absorpsiyon katsayısı 10⁵ M-1 cm-1'i aşar ki bu küçük moleküllü organik bileşikler için en yüksek değerlerden biridir. 90 aseton-suda, klorofil a'nın pik absorpsiyon dalga boyları 430 nm ve 664 nm; klorofil b için pikler 460 nm ve 647 nm; klorofil c₁ için pikler 442 nm ve 630 nm; klorofil c₂ için pikler 444 nm ve 630 nm; klorofil d için pikler 401 nm, 455 nm ve 696 nm'dir. ⓘ

Klorofil içeriğini ölçmek için floresan emisyon oranı kullanılabilir. Klorofil a floresanının daha düşük bir dalga boyunda uyarılmasıyla, 705±10 nm ve 735±10 nm'deki klorofil floresan emisyonunun oranı, kimyasal testlerle karşılaştırıldığında klorofil içeriğinin doğrusal bir ilişkisini sağlayabilir. F₇₃₅/F₇₀₀ oranı, 41 mg m-² ila 675 mg m-2 aralığında kimyasal testlerle karşılaştırıldığında r2 0,96'lık bir korelasyon değeri sağlamıştır. Gitelson ayrıca mg m-2 cinsinden klorofil içeriğinin doğrudan okunması için bir formül geliştirmiştir. Formül, 0,95 korelasyon r2 değeri ile 41 mg m-2'den 675 mg m-²'ye kadar klorofil içeriğini ölçmek için güvenilir bir yöntem sağlamıştır. ⓘ

Biyosentez

Bazı bitkilerde klorofil glutamattan türetilir ve heme ve siroheme ile paylaşılan dallanmış bir biyosentetik yol boyunca sentezlenir. Klorofil sentaz, klorofil a'nın biyosentezini tamamlayan enzimdir:

klorofilid a + fitil difosfat $\rightleftharpoons$ klorofil a + difosfat

Bu dönüşüm, klorofilid a'daki karboksilik asit grubunun 20 karbonlu diterpen alkol fitol ile bir esterini oluşturur. Klorofil b, klorofilid b üzerinde etkili olan aynı enzim tarafından yapılır. ⓘ

Kapalı tohumlu bitkilerde, biyosentetik yoldaki sonraki adımlar ışığa bağımlıdır. Bu tür bitkiler karanlıkta yetiştirildiklerinde solgun (etiyollü) olurlar. Damarlı olmayan bitkiler ve yeşil algler ışıktan bağımsız ek bir enzime sahiptir ve karanlıkta bile yeşil büyürler. ⓘ

Klorofil proteinlere bağlıdır. Biyosentetik ara ürünlerden biri olan protoklorofilid çoğunlukla serbest halde bulunur ve ışık koşulları altında fotosensitizer görevi görerek bitki için toksik olabilen serbest radikaller oluşturur. Bu nedenle, bitkiler bu klorofil öncüsünün miktarını düzenler. Angiospermlerde bu düzenleme, biyosentez yolundaki ara bileşiklerden biri olan aminolevulinik asit (ALA) basamağında gerçekleştirilir. ALA ile beslenen bitkiler yüksek ve toksik seviyelerde protoklorofilid biriktirir; hasarlı bir düzenleyici sisteme sahip mutantlar da öyle. ⓘ

Yaşlanma ve klorofil döngüsü

Bitki yaşlanma süreci klorofilin parçalanmasını içerir: örneğin klorofilaz enzimi (EC 3.1.1.14), klorofillerin klorofilid a veya b'den biyosentezlendiği reaksiyonu tersine çevirmek için fitil yan zincirini hidrolize eder. Klorofilid a, klorofilid b'ye dönüştürülebildiğinden ve ikincisi klorofil b'ye yeniden esterleştirilebildiğinden, bu işlemler klorofiller a ve b arasında döngüye izin verir. Ayrıca, klorofil b doğrudan (7¹-hidroksiklorofil a yoluyla) klorofil a'ya geri indirgenerek döngü tamamlanabilir. Senesensin sonraki aşamalarında, klorofilitler genel yapıya sahip, floresan olmayan klorofil katabolitleri (NCC'ler) olarak bilinen bir grup renksiz tetrapirole dönüştürülür:

Bu bileşikler olgunlaşan meyvelerde de tespit edilmiştir ve yaprak döken bitkilere karakteristik sonbahar renkleri verirler. ⓘ

Dağılım

Klorofil haritaları her ay deniz suyunun metreküpü başına düşen miligram klorofili göstermektedir. Fitoplankton sayısının çok düşük olduğunu gösteren klorofil miktarlarının çok düşük olduğu yerler mavidir. Klorofil konsantrasyonlarının yüksek olduğu, yani çok sayıda fitoplanktonun büyüdüğü yerler ise sarıdır. Gözlemler NASA'nın Aqua uydusundaki Orta Çözünürlüklü Görüntüleme Spektroradyometresi'nden (MODIS) alınmıştır. Kara koyu gri, MODIS'in deniz buzu, kutup karanlığı veya bulutlar nedeniyle veri toplayamadığı yerler ise açık gridir. Yüzeyde yaşayan küçük okyanus bitkilerinin geliştiği en yüksek klorofil konsantrasyonları, soğuk kutup sularında veya okyanus akıntılarının ekvator çevresi ve kıtaların kıyıları gibi soğuk suyu yüzeye çıkardığı yerlerdedir. Fitoplanktonları harekete geçiren şey soğuk suyun kendisi değildir. Bunun yerine, soğuk sıcaklıklar genellikle suyun okyanusun daha derinlerinden yüzeye çıktığının ve zaman içinde biriken besinleri taşıdığının bir işaretidir. Kutup sularında, bitkilerin büyüyemediği karanlık kış aylarında besin maddeleri yüzey sularında birikir. İlkbahar ve yaz aylarında güneş ışığı geri döndüğünde, bitkiler yüksek konsantrasyonlarda gelişir. ⓘ

Mutfakta kullanımı

Sentetik klorofil gıda katkı maddesi renklendiricisi olarak kayıtlıdır ve E numarası E140'tır. Şefler klorofili makarna ve alkollü içkiler gibi çeşitli yiyecek ve içecekleri yeşile boyamak için kullanmaktadır. Absinthe yeşil rengini doğal olarak, üretiminde kullanılan çok çeşitli bitkilerden elde edilen klorofilden alır. Klorofil suda çözünmez ve istenen çözeltiyi elde etmek için önce az miktarda bitkisel yağ ile karıştırılır. ⓘ

Biyolojik kullanım

2002 yılında yapılan bir çalışmada, "güçlü ışığa maruz kalan yaprakların, karanlıkta tutulanların aksine, bozulmuş ana anten proteinleri içerdiği, bunun da izole proteinlerin aydınlatılmasıyla ilgili çalışmalarla tutarlı olduğu" bulunmuştur. Bu durum yazarlara, bitkilerin kısa vadeli davranışlarında "aktif oksijen türlerinin in vivo bir rol oynadığı" hipotezini destekliyor gibi görünmüştür. ⓘ

Yapısı

Klorofil molekülü merkezde bulunan bir Mg atomu çevresinde yer alan 4 tane pirol halkasından oluşan bir yapıdır. Bu tetra pirol yapısına Mg porfirin adı verilir. Pirol halkalarından birine yani molekülün 7. C atomuna uzun ve düz zincirli bir alkol olan fitol bağlıdır. ⓘ

Çeşitleri

Bitkilerde bulunan klorofil, beş çeşit olup, bunlar a,b,c,d ve f şeklinde adlandırılır. Bunların molekülleri birbirine çok benzer. Damarlı yeşil bitkilerde klorofil a ve b 1/3 oranında bulunur. Diğer klorofiller bu bitkilerde bulunsa bile çok az veya eser miktardadır. Klorofil bitkilerde kloroplast adı verilen organellerin içinde bulunur. ⓘ

Klorofil a ve b molekülleri arasındaki fark, 2. pirol halkasının 3. karbon atomuna bağlanmış olan gruplardan kaynaklanır. Klorofil a'nın 3. karbonuna metil (CH₃) grubu bağlanmışken, klorofil b'nin 3. karbonuna aldehit grubu (CHO) bağlanmıştır. Bu farklılığa bağlı olarak bu moleküller çözünürlük ve ışığı absorbe etme yönünden birbirlerinden ayrılırlar. Örneğin klorofil a petrol eterinde, klorofil b ise metil alkolde çözünür. Klorofil a, dalga boyu 662 milimikron, klorofil b ise dalga boyu 654 milimikron olan ışığı absorblarlar. Klorofil a'nın formülü C₅₅H₇₂O₅N₄Mg olup dört tane pirol halkasına sahiptir. Ortada, Mg pirol halkasındaki azotlar ile çekirdek teşkil etmiştir. Pirol halkaları birbirlerine karbon köprüleriyle bağlanmışlardır. Böylece büyük bir halka meydana gelmiştir. Klorofil b'nin molekülünün kapalı formülü C₅₅H₇₀O₆N₄Mg'dir. Açık formülü klorofil a'dan biraz farklıdır. ⓘ

Klorofil a, bakteriler hariç bütün yeşil bitkilerde, klorofil b, yüksek bitkilerde ve yeşil yosunlarda bulunur. Klorofil d kırmızı yosunlarda, klorofil c kahverengi yosunlarda, diatomlarda ve öglena gibi bir hücreli kamçılılarda bulunur. ⓘ

Klorofil pigmentleri

Klorofil pigmentleri, fotosentezde temel görevi üstlenen yeşil renkli pigmentlerdir. 1966'da Allen tarafından 8 tane farklı türü olduğu bulunmuştur. Bunlar:

• Klorofil a
• Klorofil b
• Klorofil c
• Klorofil d
• Klorofil f
• Bakteriyoklorofil a
• Bakteriyoklorofil b
• Bakteriyoviridin'dir. ⓘ

Bakteriyoklorofil a, bakteriyoklorofil b, bakteriyoviridin fotosentetik bakterilerde bulunur. En bol bulunan klorofil a ve b bakteriler dışındaki tüm ototroflarda bulunur. Klorofil b mavi-yeşil, kahverengi ve kırmızı alglerde bulunmaz. Diğer klorofil tiperi ise klorofil a ile birlikte ve yalnız olarak alglerde bulunabilirler. Klorofil pigmenti C,H,O₂, N ve Mg elementlerinden oluşur. ⓘ

Klorofilin meydana gelmesi için ışık şarttır. Bazı fıstık çamı, eğrelti otları gibi bitkiler karanlıkta da yeşilliklerini korurlar. ⓘ