Những sắc tố quang hợp:
Cấu trúc và quang phổ học
Các nhân tố quyết định của một sinh vật quang hợp là các sắc tố của nó. Nếu
không có chúng, ánh sáng sẽ không được hấp thụ, năng lượng và do đó không
được lưu trữ. Có một số sắc tố được tìm thấy trong các sinh vật quang hợp khác
nhau. Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về các loại sắc tố, với trọng tâm là
làm thế nào các chất hóa học và đặc tính quang phổ của các sắc tố được xác
định bằng cấu trúc của chúng và về chức năng mà chúng thực hiện trong quá
trình quang hợp. Để tìm hiểu chúng, các chlorophylls được đặt tên từ a-d, và
các bacteriochlorophylls từ a-g. Ngoài ra, chúng ta sẽ xem xét carotenoids và
bilins, hai thành phần chủ yếu khác của sắc tố quang hợp.
Chlorophylls từ lâu đã là chủ đề của nghiên cứu. Tên gọi này lần đầu tiên được
sử dụng bởi Pelletier và Caventou năm 1818 để mô tả các sắc tố màu xanh lá
cây tham gia trong quang hợp ở thực vật bậc cao. Có giải thưởng Nobel cho các
nghiên cứu về việc xác định cấu trúc của chlorophyll. Richard Wilstatter được
vinh danh năm 1915 cho công việc của mình mà thành lập các tính năng chính
của cấu trúc chlorophyll, trong đó có công thức thực nghiệm và sự hiện diện
của Mg. Hans Fischer đã được trao giải thưởng Nobel 1930 trong nghiên cứu vì
ông quyết định hoàn thành lên đến đỉnh điểm trong tổng số tổng hợp của
chlorophyll.
• Cấu trúc hóa học và phân bố chlorophylls và
bacteriochlorophylls:
Chlorophyll có cấu trúc đặc trưng gồm 4 vòng pyrol khép kín, các cầu =CH-
chưa no nối 4 vòng pyrol lại với nhau, trên toàn bộ vòng pocphyrin có 8 nguyên
tử C, ở đó có các nhóm thay thế có thể chuyên hóa lẫn nhau. Vòng pyrol thứ IV
ở trạng thái khử (giữa C7 và C8 không có nối đôi) và có một gốc acid .
Cầu γ C nối vòng pyrol III và pyrol IV tạo nên một vòng khử V, vòng này
không chứa N và qua đó là một gốc acid gắn vào và gố này có thể bị ester hóa
bằng rượu Metylic, tạo thành gốc COOCH
3
. nhân trung tâm là một nguyên tử

Mg là phần quan trọng nhất vì nó quyết định màu xanh lục của diệp lục.
Chlorophyll a ta thấy các tia xanh và đỏ được hấp thụ cò tia lục không được hấp
thụ. Tia lục không được các sắc tố hấp thụ và phản chiếu vào mắt ta do đó ta
thấy lá có màu lục.
Bằng phương pháp hóa học, các chlorophylls có liên quan đến porphyrins, mà
nó cũng là tetrapyrroles, nhưng nói chung là porphyrins đối xứng hơn phân tử.
Vòng năm trong chlorophylls được đánh dấu từ A qua E, và vị trí nhóm thế trên
vòng lớn theo chiều kim đồng hồ, bắt đầu từ vòng A, theo công nhận quốc tế
của IUPAC và danh pháp hóa học ứng dụng. Tất cả sách nghiên cứu về vấn đề
này sử dụng các danh pháp Fischer, vì vậy cần thiết để biết với cả hai hệ thống.
Theo quy ước, các trục của tất cả các phân tử μ chlorophylls được định nghĩa là
đi qua các nguyên tử N của vòng A và C, với trục x đi qua các nguyên tử N
trong vòng B và D. Trục Z vuông góc với mặt phẳng của các vòng lớn . Mở
rộng phạm vi hệ thống điện tử π trải dài hầu hết trên các phân tử này, ngoại trừ
vòng D, trong đó C-17-C-18 liên kết đôi giảm xuống liên kết đơn. Đuôi được
tạo thành bởi sự ngưng tụ của bốn đơn vị isoprene và sau đó được este hóa đến
vòng D. Nó thường được gọi là đuôi phytol, phía sau là đuôi polyisoprenoid.
Hầu hết các chlorophylls được phân loại như chlorins hơn là porphyrins, bởi tác
dụng của vòng D giảm . Hầu hết các bacteriochlorophylls được gọi tương tự
bacteriochlorins, do giảm cả hai vòng B và D. Tất cả các chlorophylls và
bacteriochlorophylls chứa thêm vòng E, nên được gọi là vòng isocyclic.
Hầu hết các loại chlorophyll-sắc tố có chứa ba nguyên tử cacbon không đối
xứng, C-13
2
, C-17 và C-18. Bacteriochlorophyll chứa thêm hai cacbon không
đối xứng trung tâm, C-7 và C-8.
• Chlorophyll a:
Chlorophyll a được tìm thấy trong tất cả các sinh vật nhân chuẩn được biết đến
quang hợp. Trong số các sinh vật nhân sơ, nó được tìm thấy với số lượng lớn
chỉ có ở vi khuẩn lam, mặc dù dấu vết biến thể nhỏ của chlorophyll a được tìm

thấy trong một số vi khuẩn anoxygenic, vi khuẩn lưu huỳnh màu xanh lá cây và
heliobacteria, nơi mà nó có một chức năng quan trọng như là một trung gian
trong chuỗi vận chuyển điện tử . Một số prochlorophytes chứa divinyl
chlorophyll a, trong đó các nhóm thế tại vị trí C-8 trên vòng B là vinyl thay vì
ethyl.
Một biến thể quan trọng của chlorophyll a là chlorophyll a'. Sắc tố này khác với
chlorophyll a chỉ trong hóa học lập thể tại vị trí C-13
2
. Nó được tìm thấy trong
một lượng nhỏ nhưng sinh sản nhiều tại khu phức hệ quang hợp I, nơi mà một
nữa hình thái phân tử của P700, cặp đặc biệt của các sắc tố đó là cho điện tử
chính. Sự giảm oxy hóa quang phổ và đặc tính của chlorophyll a’ tương tự như
chlorophyll a. Hiện bằng chứng cho thấy rằng chlorophyll a’ được tạo thành từ
chlorophyll a , mặc dù các giả định C-13
2
chất enzyme tồn tại trong một số cây
và động vật chưa được xác định.
• Chlorophyll b:
Chlorophyll b giống hệt chlorophyll a ngoại trừ tại một vị trí là C-7, nơi một
nhóm formyl thay thế nhóm methyl. Sự thay đổi này thay đổi sự hấp thu tối đa
các bước sóng ngắn hơn. Chlorophyll b phần lớn có trong phần lớn các sinh vật
nhân chuẩn quang hợp, ngoại trừ các tảo đỏ và tảo nâu. Trong sinh vật nhân sơ
quang hợp nó chỉ được tìm thấy trong prochlorophytes.
• Chlorophyll c:
Chất diệp lục c phần lớn thì hiếm thấy ở các chlorophylls, trong đó nó không có
đuôi isoprenoid và cũng không có vòng D giảm. Vì vậy bằng phương pháp hóa
học phân loại như porphyrin , và không phải là một chlorin. Chlorophyll c được
tìm thấy riêng biệt trong các nhóm khác nhau của tảo biển, như tảo cát và
dinoflagellates. Nó hoạt động như là một phụ kiện thu ánh sáng, trong sắc tố-
phức hợp protein tương tự chlorophyll b ở thực vật và tảo xanh. Có một vài

biến thể cấu trúc của chlorophyll c, trong đó khác nhau trong một số nhóm thế
vòng ngoại vi.
• Chlorophyll d:
Chlorophyll d khác chlorophyll a chỉ một vài điểm: các nhóm thế ở vị trí C-3 là
một nhóm formyl trong chlorophyll d, thay vì nhóm vinyl tại chlorophyll a,
chlorophyll d được biết đến như là một dấu vết thành phần của tảo nhất định và
được cho rằng là không có thật. Tuy nhiên, vào năm 1996 một cyanobacterium,
Acaryochloris, được phát hiện như là một sự cộng sinh trong một số động vật
không xương sống ở biển. Sinh vật này có chứa chlorophyll d như là các sắc tố
chính, và nó cũng chứa chlorophyll a và sắc tố bilin. Chlorophyll d là động lực
và cấu trúc trung gian giữa chlorophyll a và bacteriochlorophyll a, mà đã được
gợi ý rằng nó, hoặc một sắc tố có liên quan, có thể có được chuyển đổi trung
gian trong quá trình quang hợp anoxygenic.
• Bacteriochlorophyll a :
Đây là chất diệp lục chính trong phần lớn các vi khuẩn anoxygenic quang hợp.
Các hóa chất khác biệt giữa các cấu trúc của chlorophyll a và
bacteriochlorophyll a là nhóm acetyl tại vị trí C-3 và liên kết đơn trong vòng B
giữa C-7 và C-8, thay vì liên kết đôi tại chlorophylls. Điều này làm giảm mức
độ phân chia trong vòng lớn và cũng làm giảm sự đối xứng của phân tử so với
chlorophylls. Những thay đổi cơ cấu có tác dụng lớn lên các tính chất quang
phổ.
Một vài loài vi khuẩn tím quang hợp đã được tìm thấy rằng việc sử dụng Zn
như là kim loại trung tâm thay vì Mg. Những sinh vật được tìm thấy trong các
môi trường axit cao, nơi Mg
2+
dễ dàng bị thay thế bởi H
+
. Đây là hai ion kim
loại chỉ đã được tích hợp vào các sắc tố kim loại tự do. Lý do đặc trưng này có
lẽ rằng Mg là có sẵn, nhưng trái lại Zn là một nguyên tố gần như có rất ít ở hầu

hết các môi trường. Như được thảo luận dưới đây, kim loại khác là không thích
hợp cho quang hợp, bởi vì sắc tố với các kim loại kết hợp có một trạng thái kích
động rất ngắn.
• Bacteriochlorophyll b:
Bacteriochlorophyll b chỉ được tìm thấy trong một vài loài vi khuẩn tím. Nó
khác với bacteriochlorophyll a chỉ bởi sự hiện diện của một liên kết đôi ngoài
vòng ở vòng B. Bacteriochlorophyll b có bước sóng dài nhất của bất kỳ nhóm
hấp thu chất diệp lục được biết đến. Trong thử nghiệm trên cơ thể sinh vật, hấp
thu tối đa của Bacteriochlorophyll b là ở 960-1050 nm.
• Bacteriochlorophylls c, d, e (và f):
Bacteriochlorophyll c, d và e sẽ được coi là một nhóm, bởi vì chúng chỉ được
tìm thấy ở vi khuẩn quang hợp xanh lá cây, sinh vật có chứa các phức hợp ăng-
ten được biết đến như là một chlorosome. Chúng cũng hiếm thấy hơn các
chlorophylls, chúng được tìm thấy như là hỗn hợp phức tạp của các hợp chất
liên quan chặt chẽ với nhau thay vì là một hợp chất duy nhất của cấu trúc đặc
biệt. Vòng B chứa C-7_C-8 có nối đôi, như trong chlorophylls, tạo ra các sắc tố
chlorins thay vì bacteriochlorins. Chúng cũng có một nhóm thế hydroxyethyl tại
vị trí C-3
1
trong vòng A. Nhóm chức này cần thiết để tập hợp của các sắc tố
trong các chlorosome. C-3
1
là cacbon không đối xứng, và cả R và S cấu hình
được tìm thấy trong các tế bào. Những sắc tố cũng có H tại vị trí C-13
2
, thay vì
các nhóm thế lớn Carboxymethyl của tất cả các chlorophylls khác. Sự thay đổi
này cho phép các vòng chlorin hợp với nhau chặt chẽ hơn. Những sắc tố có cấu
trúc lập trình cho sự tập hợp, và quả thật, trong chlorosome chúng được tìm
thấy như phức hợp oligomeric lớn với một vài protein.

Những sự khác nhau giữa các bacteriochlorophylls c, d và e xảy ra chủ yếu ở
các vị trí C-20 nhánh Methin, nơi bacteriochlorophylls c và e có một nhóm thế
metyl, và tại vị trí C-7, nơi bacteriochlorophyll e có một nhóm thế formyl,
giống như chlorophyll b. Những thay đổi này điều chỉnh các thuộc tính hấp thu
của các sắc tố, với bước sóng hấp thu tối đa giảm đi từ bacteriochlorophyll c
đến e. Sự khác biệt khác được tìm thấy tại vị trí C-8 và C-12, nơi nhiều phức
tạp của các nhóm thế có thể xảy ra, ngay cả trong một sinh vật nhất định. Các
đuôi của các bacteriochlorophylls cũng khác với hầu hết các chlorophylls khác.
Các bacteriochlorophylls c, d và e tìm thấy trong các vi khuẩn lưu huỳnh xanh
lá cây có chứa một đuôi dài thay vì một phytol. Đây là một trong những đơn vị
isoprene và ngắn hơn phytol. Vi khuẩn không có lưu huỳnh xanh lá cây, chỉ có
chứa bacteriochlorophyll c (cũng như bacteriochlorophyll a) chủ yếu sử dụng
cacbon 18 thẳng –chuỗi phân tử khác stearol, mặc dù nhiều loại đuôi khác
được tìm thấy trong nhiều số lượng khác nhau.
Các hợp chất mà có thể được gọi là bacteriochlorophyll f có C-7 thế nhóm
formyl bacteriochlorophyll e, cũng như C-20 H của bacteriochlorophyll d. Như
vậy, việc hoàn tất hợp lý tập hợp các sắc tố này. Tuy nhiên, bacteriochlorophyll
f vẫn chưa được tìm thấy trong bất kỳ sinh vật quang hợp nào, do đó, việc đặt
tên một cách hợp lệ cho bacteriochlorophyll là không chắc chắn.
• Bacteriochlorophyll g:
Bacteriochlorophyll g chỉ được tìm thấy trong heliobacreria anoxygenic. Nó là
một bản chất lai phân tử của chlorophyll a và bacteriochlorophyll b, trong đó nó
chứa nhóm thế phân tử vinyl C-3 của chlorophyll a và nhóm thế ethylidine có
vòng ngoài C-8 của bacteriochlorophyll b. Nó cũng chứa một đuôi dài thay vì
phytol. Bacteriochlorophyll g rất không ổn định và dễ phá vỡ thành chlorophyll
a hoặc các hợp chất liên kết chặt chẽ.
• Pheophytins và bacteriopheophytins:
Kim loại tự do chlorophylls được biết đến như là pheophytins. Trong các hợp
chất này, hai ion H
+

thay thế kim loại trung tâm Mg
2+
. Điều kiện thúc đẩy sự trở
thành acid sự thay thế của kim loại. Pheophytins được hình thành trong thời
gian phân rã của chlorophylls, do đó thường được xem như là sản phẩm phân rã
chủ yếu và đây là kết quả từ sự mất mát của các kim loại trung tâm. Tuy nhiên,
lượng nhỏ pheophytin rõ ràng là thành phần, yếu tố cần thiết của một số trung
tâm phức hợp phản ứng và gần như chắc chắn được tạo ra theo một con đường
nhất định, mặc dù nó không được biết đến. Pheophytin được giảm bớt đi dễ
dàng hơn hơn chlorophyll tương ứng, vì vậy nó có chức năng như một nguyên
tử có khả năng nhận thêm một điện tử tại một nơi trong chuỗi vận chuyển điện
tử nơi có chlorophyll sẽ không hoạt động.
• Sinh tổng hợp chất diệp lục:
Con đường sinh tổng hợp chất diệp lục bao gồm 15 bước. Nó bắt đầu với sự
hình thành của δ-aminolevulinic acid ALA. Tám phân tử của ALA được cô
đọng lại hình thành protoporphyrin IX. Tại thời điểm này con đường chia
nhánh, một nhánh dẫn đến heme còn nhánh khác dẫn đến chlorophyll, tùy thuộc
vào việc Fe hoặc Mg được liên kết. Nhánh Chlorophyll bao gồm các bước thêm
vào mà trong đó một vòng thứ 5 được tạo thành và 1 liên kết đôi ở vòng D
được khử oxy thành dạng Chlorophyllide. Đuôi isoprenoid được đính kèm ở
bước cuối cùng.
Vài bước đầu tiên trên đường sản xuất ALA. Hầu hết các quang sinh vật sử
dụng 1 con đường duy nhất mà có liên quan đến ATP, nạp amino acid glutamic
acid để thành thành tRNA glutamyl. Phản ứng này là 1 trong số ít các phản ứng
được biết đến trong các phản ứng sinh học, trong đó 1 phân tử tRNA được sử
dụng trong 1 bước tiến hóa sinh học khác hơn tổng hợp protein. Step 2 là khử
để tạo thành 1 aldehyde trên L-glutamic acid 1-semiadehyde. Bước cuối cùng
trong tổng hợp ALA là sự sắp xếp lại sự chuyển hóa amin để hình thành ALA.
Một nhóm các quang sinh vật sản xuất ALA bằng 1 con đường hoàn toàn khác.
Đây là sự ngưng tụ của các axit amin glycine với succinyl –CoA xúc tác bằng

các enzym ALA synthase. Enzym này được tìm thấy trong 1 số ( nhưng không
phải tất cả ) tím quang vi khuẩn. Nó cũng được tìm thấy trong ty thể của tất cả