Neglieucarioti non sono presenti clorofille, ma considerando quelle dei cianobatteri plastidiali degli archeplastidi ("piante") si potrebbe impropriamente dire siano presenti due diversi tipi di clorofilla:
la clorofillaa, che assorbe soprattutto laluce blu-violetta e rossa
la clorofillab, che assorbe soprattutto la luce blu ed arancione.
Altri pigmenti minoritari sono icarotenoidi, che assorbono un ampio spettro della luce blu e che riflettono la luce arancio.
Le piante appaiono verdi, poiché lelunghezze d'onda del verde sono le meno assorbite dai cianobatteri plastidiali delle piante. Le clorofille degli altri eubatteri (come i cianobatteri a vita libera e molti proteobatteri) sono leggermente diverse.
La clorofilla è unaclorina prodotta attraverso lo stesso processo metabolico delleporfirine come l'eme, alle quali è strutturalmente simile. La molecola ha una struttura ad anello, al centro del quale c'è un atomo dimagnesio che ha la funzione di mantenere la struttura rigida per evitare che l'energia solare si disperda sotto forma di calore prima che possa essere utilizzata per il processo fotosintetico. Dall'anello poi parte una lunga catenaidrofoba o idrorepellente che serve per ancorare la molecola di clorofilla alle membrane tilacoidi. Vi sono alcune forme differenti che avvengono naturalmente, ma la più universalmente diffusa tra le piante terrestri è la clorofillaa, la cui struttura fu decodificata daHans Fischer nel 1940, e dal 1978, quando la stereochimica della clorofilla a era risaputa,Robert Burns Woodward pubblicò una sintesi completa della molecola com'è ad oggi conosciuta.[3] Nel 1967 le residue delucidazioni stereochimiche furono perfezionate daIan Fleming[4] e nel 1990 Woodward e coautori pubblicarono una sintesi aggiornata.[5]
Le differenti strutture della clorofilla sono sintetizzate sotto:
La clorofilla si trova in grandi concentrazioni nei cloroplastiMolecole di clorofillaa nel fotosistema II
La clorofilla è vitale per lafotosintesi che permette alle piante di ottenere energia dalla luce.
Le molecole di clorofilla sono specificamente posizionate e circondate da complessi proteici chiamatifotosistemi che sono racchiusi neitilacoidi deicloroplasti. In questi complessi la clorofilla serve a due funzioni principali. La funzione della gran parte della clorofilla, fino a diverse centinaia per fotosistema, è di assorbire la luce e trasferire l'energia ad una coppia specifica di clorofilla nel centro di reazione del fotosistema. A causa della selettività della clorofilla rispetto alla lunghezza d'onda assorbita, le aree della foglia contenenti la molecola appaiono verdi.
"700" e "680" indicano lalunghezza d'onda innanometri in cui i due diversi accettori primari hanno il loro picco di assorbimento.[6] L'identità, la funzione e le proprietà spettrali dei tipi di clorofilla in ciascun fotosistema sono distinte e determinate da ciascuno e dalla struttura proteica circostante. Una volta estratti dalla proteina in un solvente (come l'acetone o ilmetanolo), questi pigmenti possono essere separati in un semplice esperimento di carta cromatografica e, sulla base del numero di gruppi polari tra clorofilla a e b, essi saranno chimicamente separati sulla carta.
La funzione del centro di reazione della clorofilla è utilizzare l'energia assorbita e trasferita dall'altra clorofilla nel fotosistema per provocare una separazione di cariche, una specifica reazione diossidoriduzione in cui la clorofilla dona unelettrone a una serie di intermediari molecolari sulla cosiddettacatena di trasporto degli elettroni. La clorofilla del centro di reazione caricata (P680+) è poi ridotta nuovamente allo stato di equilibrio acquisendo un elettrone. Nel fotosistema II l'elettrone che riduce il P680+ proviene infine dall'ossidazione dell'acqua inO2 e 4H+ ad opera delcomplesso evolvente ossigeno. Tra l'altro grazie a questa reazione gli organismi fotosintetici producono ossigeno gassoso costituendo la fonte di quasi tutto l'ossigeno presente nell'atmosfera terrestre. Il fotosistema I lavora tipicamente in serie col fotosistema II così il P700+ del fotosistema I è normalmente prodotto dal fotosistema II attraverso intermediari nella membrana tilacoide. Tuttavia le reazioni di trasferimento degli elettroni nella membrana tilacoide sono complessi e la fonte degli elettroni usati per ridurre il P700+ può variare.
Il flusso di elettroni prodotti dalla clorofilla del centro di reazione è usato per trasportare gli ioni H+ attraverso la membrana tilacoide creando un potenzialechemiosmotico usato prettamente per produrreenergia chimica daATP. Quegli elettroni infine riducono il NADP+ inNADPH, un riducente universale utilizzato per ridurre il CO2 in zuccheri come anche per altre riduzioni biosintetiche.
I complessi clorofilla-proteina del centro di reazione sono in grado di assorbire direttamente la luce e produrre separazione di cariche senza altri pigmenti clorofilliani, ma la probabilità di assorbire unfotone sotto una radiazione luminosa data è bassa. Così la clorofilla rimanente nel fotosistema e i complessi antenna pigmento proteina associati col fotosistema assorbono cooperativamente e incanalano l'energia luminosa verso il centro di reazione. Oltre alla clorofillaa vi sono altri pigmenti, chiamatiaccessori, che intervengono in questi complessi antenna.
Spettri di assorbimento della clorofillaa (blu) eb (rosso) libere in unsolvente. Gli spettri delle molecole di clorofilla sono leggermente modificatiin vivo a seconda delle interazioni specifico pigmento-proteine.
La clorofilla, di qualsiasi tipo essa sia, presenta coloreverde-giallastro come visibile da una semplicecromatografia su carta. Da un punto di vista fisico questo vuol dire che la clorofilla assorbe tutte lelunghezze d'onda dellospettro visibile tranne quelle in prossimità dei 490-590nm.
Nelperiodo autunnale la concentrazione di clorofilla nelfogliame diminuisce, quindi questo assume una colorazione bruno-rossiccia data dalla presenza deicarotenoidi.
La misurazione dello spettro di assorbimento, ovvero del colore, della clorofilla viene svolta con metodiche dispettrofotometria.
La misura dell'assorbanza della luce è complicata dalsolvente utilizzato per estrarre la clorofilla dalla materia vegetale, che influenza i risultati ottenuti;
Nel dietil etere, la clorofillaa presenta i massimi di assorbimento approssimati a 430 nm e 662 nm, mentre la clorofillab li presenta a 453 nm e 642 nm.[7]
I picchi di assorbimento della clorofillaa sono a 665 nm e 465 nm. La clorofilla a diviene fluorescente a 673 nm. Il picco del coefficiente di assorbimento molare della clorofillaa supera 105 M−1 cm−1, che è il più alto tra i composti organici.
Il fatto che la clorofillaa eb abbiano dei spettri di assorbimento differenti si traduce in un migliore assorbimento della radiazione solare per lafotosintesi clorofilliana.
Nella tabella di seguito vengono indicate le lunghezze d'onda in nanometri a cui corrisponde il massimo dei picchi di assorbimento primari e l'estensione dei picchi (indicata tra parentesi):
Clorofillaa
Clorofillab
Clorofillac
Clorofillad
Clorofillae
Picco 1
430 nm
480 nm
434 nm
(circa 400-470 nm)
-
Picco 2
663 nm
650 nm
666 nm
700 nm (700-730 nm)
(715-725 nm)
I valori indicati sono valori approssimati. Infatti si hanno risultati differenti a seconda che le prove siano fattein vivo oin vitro e a seconda del solvente utilizzato.
Nel momento in cui le foglie ingialliscono, la clorofilla è convertita in un gruppo ditetrapirroli incolori conosciuti come cataboliti influorescenti della clorofilla (NCC's). Questi composti sono anche stati identificati in vari frutti maturi.[8]
Nellepiante la clorofilla viene sintetizzata a partire dalsuccinil-CoA e dallaglicina, nonostante l'immediato precursore della clorofillaa eb sia laprotoclorofilla.
La clorosi è una condizione in cui le foglie non producono clorofilla sufficiente, divenendo gialle. La clorosi può essere causata da deficienze alimentari, tra cui quella di ferro e in misura minore di magnesio e di azoto. IlpH del suolo talvolta gioca un ruolo nella clorosi alimentare: molte piante si sono adattate a crescere in terreni con specifici pH e la loro capacità di assorbire dal suolo i nutrienti può dipendere dal pH dello stesso.[9] La clorosi può anche essere causata da organismi patogeni comevirus,batteri e funghi o parassiti che succhiano la linfa.
^per una spiegazione scientifica sul colore verde della clorofilla, vedere la sezione "Spettrofotometria".
^ R. B. Woodward, W. A. Ayer, J. M. Beaton, F. Bickelhaupt, R. Bonnett, P. Buchschacher, G. L. Closs, H. Dutler, J. Hannah, F. P. Hauck, S. Itô, A. Langemann, E. Le Goff, W. Leimgruber, W. Lwowski, J. Sauer, Z. Valenta, and H. Volz,The total synthesis of chlorophyll, inJournal of the American Chemical Society, vol. 82, 1960, pp. 3800-3802,DOI:10.1021/ja01499a093.
^ Robert Burns Woodward, William A. Ayer, John M. Beaton, Friedrich Bickelhaupt, Raymond Bonnett, Paul Buchschacher, Gerhard L. Closs, Hans Dutler, John Hannah, Fred P. Hauck,et al.,The total synthesis of chlorophyll a, inTetrahedron, vol. 465378, n. 22, 1990, pp. 7599-7659,DOI:10.1016/0040-4020(90)80003-Z.
