الكلوروفيل

الكلوروفيل على مختلف المقاييس

الكلوروفيل مسؤول عن اللون الأخضر للعديد من النباتات والطحالب.

في الخلايا النباتية والطحالب، يتركز الكلوروفيل في هياكل تسمى البلاستيدات الخضراء ، كما هو موضح في هذه الصورة المجهرية للخلايا في ورقة طحلب.

تُرى النباتات خضراء لأن الكلوروفيل يمتص بشكل أساسي الأطوال الموجية الزرقاء والحمراء، لكن الضوء الأخضر، الذي ينعكس بواسطة تراكيب النبات مثل جدران الخلايا، يُمتص بشكل أقل. ^{[ 1 ]}

هناك عدة أنواع من الكلوروفيل، لكن جميعها تشترك في رابطة الكلورين المغنيسيوم التي تشكل الجانب الأيمن من هذا الرسم التخطيطي.

الكلوروفيل هو مجموعة من المحفزات الكيميائية الضوئية والأصباغ الخضراء الموجودة في البكتيريا الزرقاء وفي البلاستيدات الخضراء للطحالب والنباتات . [ ^{2 ] يُشتق} اسمه من الكلمتين اليونانيتين χλωρός ( خلوروس ، وتعني "أخضر باهت") و φύλλον ( فيلون ، وتعني "ورقة"). ^{[ 3 ] [ 4 ]} يُمكّن الكلوروفيل النباتات من امتصاص الطاقة من الضوء. وتشارك هذه الأصباغ في عملية التمثيل الضوئي الأكسجيني ، على عكس البكتيريوكلوروفيل ، وهي جزيئات مشابهة موجودة فقط في البكتيريا وتشارك في عملية التمثيل الضوئي اللاأكسجيني . ^{[ 5 ]}

تمتص الكلوروفيل الضوء بقوة في نطاقي الأزرق والأحمر من الطيف الكهرومغناطيسي . ^{[ 6 ]} في المقابل، تمتص الكلوروفيل الضوء الأخضر وما يقاربه من نطاقات الطيف بشكل ضعيف. ولذلك، تبدو الأنسجة المحتوية على الكلوروفيل خضراء اللون لأن الضوء الأخضر، الذي ينعكس بشكل منتشر بواسطة تراكيب مثل جدران الخلايا، يُمتص بشكل أقل. ^{[ 1 ]} يوجد نوعان من الكلوروفيل في الأنظمة الضوئية للنباتات الخضراء: الكلوروفيل أ والكلوروفيل ب . ^{[ 7 ]}

عُزلت مادة الكلوروفيل لأول مرة وسُميت بهذا الاسم على يد جوزيف بيناميه كافينتو وبيير جوزيف بيليتييه عام 1817. ^{[ 3 ]} واكتُشف وجود المغنيسيوم في الكلوروفيل عام 1906، ^{[ 8 ]} وكان هذا أول اكتشاف لهذا العنصر في الأنسجة الحية. ^{[ 9 ]}

بعد العمل الأولي الذي قام به الكيميائي الألماني ريتشارد ويلشتاتر بين عامي 1905 و1915، تم توضيح البنية العامة للكلوروفيل أ بواسطة هانز فيشر في عام 1940. وبحلول عام 1960، عندما كانت معظم الكيمياء الفراغية للكلوروفيل أ معروفة، نشر روبرت بيرنز وودوارد توليفًا كاملاً للجزيء. ^{[ 9 ] [ 10 ]} في عام 1967، أكمل إيان فليمنج آخر توضيح متبقٍ للكيمياء الفراغية ، ^{[ 11 ]} وفي عام 1990 نشر وودوارد وزملاؤه توليفًا محدثًا. ^{[ 12 ]} أُعلن عن وجود الكلوروفيل و في البكتيريا الزرقاء والكائنات الحية الدقيقة الأخرى المنتجة للأكسجين التي تشكل الستروماتوليت في عام 2010؛ ^{[ 13 ] [ 14 ]} تم استنتاج الصيغة الجزيئية C55H70O6N4Mg وبنية (2-فورميل)-كلوروفيل أ _{بناءً على} أطياف الرنين النووي _{المغناطيسي} والأطياف الضوئية _وأطياف الكتلة . ^{[ 15 ]}

الكلوروفيل ضروري لعملية التمثيل الضوئي ، مما يسمح للنباتات بامتصاص الطاقة من الضوء . ^{[ 16 ]}

تترتب جزيئات الكلوروفيل داخل وحول الأنظمة الضوئية المدمجة في أغشية الثايلاكويد للبلاستيدات الخضراء . ^{[ 17 ]} في هذه المركبات، يؤدي الكلوروفيل ثلاث وظائف:

1. تتمثل وظيفة الغالبية العظمى من الكلوروفيل (حتى عدة مئات من الجزيئات لكل نظام ضوئي) في امتصاص الضوء.
2. وبعد القيام بذلك، تقوم هذه المراكز نفسها بتنفيذ وظيفتها الثانية: نقل تلك الطاقة عن طريق نقل طاقة الرنين إلى زوج محدد من الكلوروفيل في مركز التفاعل الخاص بالأنظمة الضوئية.
3. يقوم هذا الزوج المحدد بالوظيفة النهائية للكلوروفيل: فصل الشحنات، مما ينتج عنه البروتونات غير المرتبطة (H ⁺ ) والإلكترونات (e ⁻ ) التي تدفع عملية التخليق الحيوي بشكل منفصل.

الوحدتان المقبولتان حاليًا للنظام الضوئي هما النظام الضوئي الأول والنظام الضوئي الثاني ، ولكل منهما مركز تفاعل خاص به، يُسمى P700 و P680 على التوالي. سُميت هذه المراكز نسبةً إلى الطول الموجي ( بالنانومتر ) لذروة امتصاصها الحمراء القصوى. تختلف هوية ووظيفة وخصائص طيف أنواع الكلوروفيل في كل نظام ضوئي، وتتحدد هذه الخصائص من خلال بعضها البعض ومن خلال بنية البروتين المحيطة بها.

تتمثل وظيفة مركز تفاعل الكلوروفيل في امتصاص طاقة الضوء ونقلها إلى أجزاء أخرى من النظام الضوئي. تُنقل طاقة الفوتون الممتصة إلى إلكترون في عملية تُسمى فصل الشحنات. يُعدّ انتزاع الإلكترون من الكلوروفيل تفاعل أكسدة. يتبرع الكلوروفيل بالإلكترون عالي الطاقة إلى سلسلة من المركبات الجزيئية الوسيطة تُسمى سلسلة نقل الإلكترون . ثم يُختزل مركز تفاعل الكلوروفيل المشحون (P680 ⁺ ) إلى حالته الأرضية باستقبال إلكترون مُنتزع من الماء. يأتي الإلكترون الذي يُختزل P680 ⁺ في النهاية من أكسدة الماء إلى O2 _و H ⁺ عبر عدة مركبات وسيطة. هذا التفاعل هو الطريقة التي تُنتج بها الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي، مثل النباتات، غاز O2 _، وهو مصدر جميع جزيئات O2 تقريبًا _في الغلاف الجوي للأرض.  يعمل النظام الضوئي الأول عادةً بالتسلسل مع النظام الضوئي  الثاني. وبالتالي، فإن P700 ⁺ الخاص بالنظام الضوئي  الأول عادة ما يتم اختزاله أثناء استقباله للإلكترون، عبر العديد من الوسائط في غشاء الثايلاكويد، بواسطة الإلكترونات القادمة في النهاية من النظام الضوئي  الثاني. ومع ذلك، فإن تفاعلات نقل الإلكترون في أغشية الثايلاكويد معقدة، ويمكن أن يختلف مصدر الإلكترونات المستخدمة لاختزال P700 ⁺ .

يُستخدم تدفق الإلكترونات الناتج عن أصباغ الكلوروفيل في مركز التفاعل لضخ أيونات الهيدروجين ^عبر غشاء الثايلاكويد، مما يُنشئ قوة دافعة بروتونية وجهدًا كيميائيًا أسموزيًا يُستخدم بشكل أساسي في إنتاج الأدينوسين ثلاثي الفوسفات ( ATP ) (الطاقة الكيميائية المخزنة) أو لاختزال NADP ⁺ إلى NADPH . يُعد NADPH عاملًا عامًا يُستخدم لاختزال ثاني أكسيد الكربون _إلى سكريات، بالإضافة إلى تفاعلات التخليق الحيوي الأخرى.

تستطيع معقدات الكلوروفيل-البروتين في مركز التفاعل امتصاص الضوء مباشرةً وإجراء عمليات فصل الشحنات دون مساعدة أصباغ الكلوروفيل الأخرى، إلا أن احتمال قيام جزيء كلوروفيل واحد بذلك تحت شدة إضاءة معينة ضئيل. لذا، تعمل جميع أنواع الكلوروفيل الأخرى في النظام الضوئي وبروتينات صبغة الهوائي بشكل تعاوني على امتصاص طاقة الضوء وتوجيهها إلى مركز التفاعل. إلى جانب الكلوروفيل أ ، توجد أصباغ أخرى، تُسمى الأصباغ المساعدة ، في هذه المعقدات الصبغية-البروتينية الهوائية. تُكمل هذه الأصباغ عمل الكلوروفيل بامتصاص الفوتونات ذات الأطوال الموجية خارج نطاق امتصاص الكلوروفيل الضيق، وتُزوّد ​​النظام الضوئي بإلكترونات إضافية. يُعتقد أن تطور الإنزيمات المنتجة للكلوروفيل قد حدث قبل 2.3 مليار سنة. ^{[ 18 ]} 

تُعرف عدة أنواع من الكلوروفيل. تُعرَّف جميعها بأنها مشتقات من الكلورين الأصلي لوجود حلقة خامسة تحتوي على الكيتون بعد الحلقات الأربع الشبيهة بالبيرول. تُصنَّف معظم أنواع الكلوروفيل على أنها كلورينات ، وهي مركبات مُختزلة قريبة من البورفيرينات (الموجودة في الهيموجلوبين ). تشترك الكلوروفيلات مع البورفيرينات في مسار حيوي واحد، بما في ذلك المركب الأولي يوروبورفيرينوجين III . على عكس الهيمات، التي تحتوي على الحديد المرتبط بمركز N4، ترتبط معظم أنواع الكلوروفيل بالمغنيسيوم . غالبًا ما تُحذف الروابط المحورية المتصلة بمركز Mg2 ^{+ للتوضيح. ترتبط بحلقة الكلورين سلاسل} جانبية متنوعة، تتضمن عادةً سلسلة فيتيل طويلة (C20H39O ₎ . _يُعد الكلوروفيل أ الشكل الأكثر انتشارًا في النباتات الأرضية . يحتوي الكلوروفيل أ على مجموعة ميثيل بدلًا من مجموعة الفورميل الموجودة في الكلوروفيل ب . يؤثر هذا الاختلاف على طيف الامتصاص، مما يسمح للنباتات بامتصاص جزء أكبر من الضوء المرئي.

يتم تلخيص هياكل الكلوروفيل أدناه: ^{[ 19 ] [ 20 ]}

يُستخدم مصطلح الكلوروفيل e لوصف صبغة تم استخلاصها من الطحالب عام 1966، ولكن لم يتم وصفها كيميائيًا. إلى جانب أنواع الكلوروفيل المذكورة في الأحرف، تُعرف في الطبيعة مجموعة واسعة من التعديلات على السلاسل الجانبية لبنية الكلوروفيل. على سبيل المثال، تستخدم بكتيريا البروكلوروكوكس الزرقاء الكلوروفيل a و b فينيل 8. ^{[ 22 ]}

يمكن استخلاص الكلوروفيل من البروتين باستخدام المذيبات العضوية. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} وبهذه الطريقة، يمكن تقدير تركيز الكلوروفيل داخل الورقة. ^{[ 26 ]} كما توجد طرق لفصل الكلوروفيل أ والكلوروفيل ب .

في ثنائي إيثيل الإيثر ، يبلغ امتصاص الكلوروفيل أ ذروته عند 430  نانومتر و662  نانومتر تقريبًا، بينما يبلغ امتصاص الكلوروفيل ب  ذروته عند 453 نانومتر و642  نانومتر تقريبًا. ^{[ 27 ]} تقع ذروتا امتصاص الكلوروفيل أ عند 465  نانومتر و665  نانومتر. ويتألق الكلوروفيل أ عند 673 نانومتر (ذروة) و726 نانومتر. يتجاوز معامل الامتصاص المولي للكلوروفيل أ ^10⁵ مول⁻¹ ^سم⁻¹ ، وهو من أعلى القيم للمركبات العضوية ذات الجزيئات الصغيرة. [ ^{28 ] في محلول الأسيتون والماء بنسبة} 90%، تبلغ أطوال موجات امتصاص الكلوروفيل أ ذروتها عند 430 نانومتر و664 نانومتر. تبلغ قمم الكلوروفيل ب 460 نانومتر و647 نانومتر؛ وتقع قمم الكلوروفيل ج ₁ عند 442 نانومتر و630 نانومتر؛ وتقع قمم الكلوروفيل ج ₂ عند 444 نانومتر و630 نانومتر؛ وتقع قمم الكلوروفيل د عند 401 نانومتر و455 نانومتر و696 نانومتر. ^{[ 29 ]}               

يمكن استخدام نسبة انبعاث الفلورة لقياس محتوى الكلوروفيل. من خلال إثارة فلورة الكلوروفيل أ عند طول موجي أقصر، يتم حساب نسبة انبعاث فلورة الكلوروفيل عند705 ± 10  نانومتر ويمكن أن يوفر الطول الموجي 735 ± 10  نانومتر علاقة خطية لمحتوى الكلوروفيل عند مقارنته بالاختبارات الكيميائية. وقد أظهرت النسبة F ₇₃₅ / F ₇₀₀ قيمة ارتباط r² تساوي ^0.96 مقارنةً بالاختبارات الكيميائية في نطاق يتراوح بين 41 و 675 ملغم ^/  م² . كما طور جيتلسون صيغةً للقراءة المباشرة لمحتوى الكلوروفيل بوحدة ملغم ^/ م² . وقد وفرت هذه الصيغة طريقةً موثوقةً لقياس محتوى الكلوروفيل ضمن نطاق يتراوح بين 41 و 675 ملغم ^/ م² ، بقيمة ^ارتباط r² ^{تساوي 0.95} . ^{[ 30 ]}        

كما يمكن تقدير تركيز الكلوروفيل بقياس نفاذية الضوء عبر أوراق النبات. ^{[ 31 ]} ويتيح تقييم محتوى الكلوروفيل في الأوراق باستخدام أجهزة استشعار بصرية مثل Dualex وSPAD للباحثين إجراء قياسات فورية وغير مدمرة. ^{[ 32 ] [ 33 ]} وتشير الأبحاث إلى وجود ارتباط إيجابي بين هذه الطرق والقياسات المختبرية للكلوروفيل. ^{[ 34 ]}

في بعض النباتات، يُشتق الكلوروفيل من الغلوتامات ويتم تصنيعه عبر مسار حيوي متفرع مشترك مع الهيم والسيروهيم . ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]} إنزيم سينثاز الكلوروفيل [ ^{38 ] هو} الإنزيم الذي يُكمل عملية التخليق الحيوي للكلوروفيل أ : ^{[ 39 ] [ 40 ]}

كلوروفيليد أ + فيتيل ثنائي الفوسفات${\displaystyle \rightleftharpoons }$الكلوروفيل أ + ثنائي الفوسفات

يُشكّل هذا التحويل إسترًا لمجموعة حمض الكربوكسيل في الكلوروفيليد أ مع كحول الفيتول ثنائي التربين ذي العشرين ذرة كربون . يُصنع الكلوروفيل ب بواسطة نفس الإنزيم الذي يعمل على الكلوروفيليد ب . وينطبق الأمر نفسه على الكلوروفيل د والكلوروفيل و ، حيث يُصنع كلاهما من الكلوروفيليدات المقابلة التي تُصنع بدورها من الكلوروفيليد أ . ^{[ 41 ]}

في النباتات المزهرة ، تعتمد المراحل الأخيرة من مسار التخليق الحيوي على الضوء. وتكون هذه النباتات شاحبة اللون ( مصفرّة ) إذا نمت في الظلام. أما النباتات اللاوعائية والطحالب الخضراء، فلديها إنزيم إضافي لا يعتمد على الضوء، وتنمو خضراء حتى في الظلام. ^{[ 42 ]}

يرتبط الكلوروفيل بالبروتينات . يوجد بروتوكلوروفيليد ، أحد المركبات الوسيطة في عملية التخليق الحيوي، في الغالب بشكل حر، ويعمل في ظروف الإضاءة كمحسس ضوئي ، مكونًا جذورًا حرة قد تكون سامة للنبات. لذا، تنظم النباتات كمية هذا المركب الأولي للكلوروفيل. في كاسيات البذور، يتم هذا التنظيم عند حمض أمينوليفولينيك (ALA)، وهو أحد المركبات الوسيطة في مسار التخليق الحيوي. تتراكم مستويات عالية وسامة من بروتوكلوروفيليد في النباتات التي تتغذى على حمض أمينوليفولينيك، وكذلك في الطفرات التي تعاني من خلل في النظام التنظيمي. ^{[ 43 ]}

تتضمن عملية شيخوخة النبات تحلل الكلوروفيل: فعلى سبيل المثال، يقوم إنزيم الكلوروفيلاز ( EC 3.1.1.14 ) بتحليل السلسلة الجانبية للفيتيل لعكس التفاعل الذي يتم فيه تصنيع الكلوروفيل حيويًا من الكلوروفيليد أ أو ب . وبما أن الكلوروفيليد أ يمكن تحويله إلى الكلوروفيليد ب، ويمكن إعادة أسترة الأخير إلى الكلوروفيل ب ، فإن هذه العمليات تسمح بدورة بين الكلوروفيل أ و ب . علاوة على ذلك، يمكن اختزال الكلوروفيل ب مباشرةً (عبر 7،1 ^- هيدروكسي كلوروفيل أ ) إلى الكلوروفيل أ ، مُكملاً بذلك الدورة. ^{[ 44 ] [ 45 ]} في المراحل اللاحقة من الشيخوخة، تتحول الكلوروفيليدات إلى مجموعة من رباعيات البيرول عديمة اللون تُعرف باسم نواتج تحلل الكلوروفيل غير المتألقة (NCC)، ولها التركيب العام التالي:

وقد تم تحديد هذه المركبات أيضاً في الفواكه الناضجة. ^{[ 45 ] [ 46 ]}

تُظهر خرائط الكلوروفيل للفترة من 2002 إلى 2024، والمقدمة من وكالة ناسا ، كمية الكلوروفيل بالمليغرام لكل متر مكعب من مياه البحر شهريًا. ^{[ 47 ]} المناطق ذات مستويات الكلوروفيل المنخفضة جدًا، والتي تشير إلى أعداد قليلة جدًا من العوالق النباتية ، مُلوّنة باللون الأزرق. أما المناطق ذات تركيزات الكلوروفيل العالية، والتي تعني نمو أعداد كبيرة من العوالق النباتية، فهي مُلوّنة باللون الأصفر. هذه البيانات مُستقاة من جهاز التصوير الطيفي متوسط ​​الدقة (MODIS) الموجود على متن قمر ناسا الصناعي "أكوا". اليابسة مُلوّنة باللون الرمادي الداكن، والمناطق التي لم يتمكن جهاز MODIS من جمع البيانات فيها بسبب الجليد البحري أو الظلام القطبي أو الغيوم مُلوّنة باللون الرمادي الفاتح. أعلى تركيزات الكلوروفيل، حيث توجد النباتات البحرية السطحية الدقيقة، تقع في المياه القطبية الباردة أو في المناطق التي تجلب فيها التيارات المحيطية المياه الباردة إلى السطح، مثل المناطق المحيطة بخط الاستواء وعلى طول سواحل القارات. ليست المياه الباردة بحد ذاتها هي التي تُحفّز نمو العوالق النباتية. بدلاً من ذلك، غالباً ما تكون درجات الحرارة المنخفضة علامة على صعود المياه إلى السطح من أعماق المحيط، حاملةً معها العناصر الغذائية التي تراكمت عبر الزمن. في المياه القطبية، تتراكم العناصر الغذائية في المياه السطحية خلال أشهر الشتاء المظلمة عندما لا تستطيع النباتات النمو. وعندما تعود أشعة الشمس في الربيع والصيف، تزدهر النباتات بتركيزات عالية. ^{[ 47 ]}

• البكتيريوكلوروفيل ، ومركبات ذات صلة في البكتيريا الضوئية
• الكاروتينات ، وهي مركبات حساسة للضوء ذات صلة تُكمل وتحمي الكلوروفيل
• الكلوروفيلين ، وهو مشتق شبه اصطناعي من الكلوروفيل
• أقصى قدر من الكلوروفيل العميق
• قياس فلورة الكلوروفيل ، لقياس إجهاد النبات
• فرضية الأرض الأرجوانية ، وهي فرضية علمية تفسر تطور التقارب الطيفي الأحمر والأزرق للكلوروفيل.