Chlorophyll và quá trình xử lí chlorophyll

Porphyrinogens là những tiền chất của tetrapyrrole vòng, hợp chất tăng đến 3 nhóm cơ bản của phân tử, được phân ra bởi quá trình oxi hóa: porphyrins, dihydroporphyrins

CHLOROPHYLL VÀ PHẨM MÀU LÁ DỨA + TRÀ XANH

PHẦN 1: CHLOROPHYLL I) Nguồn gốc:

Chlorophylls là những chất màu tự nhiên phong phú nhất và là nguồn chất màu xanh lá cho tất cả các cây xanh, tảo, cây dương xỉ, rêu và một số loài vi khuẩn có thể thu nhận năng lượng ánh sáng cho quá trình quang tổng hợp Những họ chlorophylls được phát hiện đầu tiên ở thực vật bậc cao

vào đầu năm 1818 bởi Pelleter và Caventow Năm 1913, Willstater và Stoll đã công bố bản tóm

tắt chuyên khảo của hầu hết những nguyên cứu tìm kiếm của Willstatter và những công tác, đã mở ra một kỉ nguyên hiện đại cho lĩnh vực hóa học Chlorophyll

Giữa 500 và 400 triệu năm trước, một vài loại tảo sống trên cạn bằng sự phát triển của chuỗi thích ứng giúp chúng tồn tại trên đất liền Ước tính việc tổng hợp chlorophylls hằng năm và sự phân hủy lên 109 tấn chlorophyll hằng năm trên Trái Đất, nó chiếm 1/3 trên cạn và 2/3 trong môi trường nước

Vai trò của những loài tảo này đưa đến hiệu suất sinh học và có ảnh hưởng đến khí hậu vì sự loại bỏ CO2, những cảm biến vệ tinh được sử dụng để đo lượng chlorophyll a trong đại dương, hồ và biển để chỉ ra sự đóng góp và sản xuất sinh khối dồi dào trong hệ thống biển Sự phát hiện phản xạ cụ thể và bước sóng hấp thụ của ánh sáng từ lớp dưới của đại dương, nơi quang tổng hợp được diễn ra

II) Cấu trúc:

Họ thiết lập những kết luận cho việc khảo sát rằng họ porphyrins và họ chlorophylls điều liên

quan đến chất màu với cấu trúc cơ bản của vòng tetrapyrrole Bởi vì một công việc mang tính

tiên phong, số lượng những cấu trúc tương tự với họ chlorophylls được gia tăng ổn định Một vài bản xem xét toàn diện được công bố cho thấy hầu hết tình trạng cập nhật liên quan đến việc hợp thành, tính chất hóa học, và xảy ra của những hợp chất

Sự có mặt của cấu trúc tetrapyrrole trong những loài sinh vật đơn giản nhất cho đến thực vật bậc cao và những loại động vật có vú được chứng tỏ bởi việc xây dựng lại hệ thống phát sinh loài của sự phát triển, Sự có mặt của cấu trúc tetrapyrrole Chúng hoạt động vào quá trình quang tổng hợp, vận chuyển điện tử, vận chuyển oxyen và những chất khí lưỡng nguyên tử khác, bảo vệ từ những dạng phản ứng của oxygen, và điều đó có thể giải thích cho những đóng góp tất cả Một cách tự nhiên xảy ra của họ tetrapyrrole được tìm thấy trong các loài sinh vật có thể phân chia thành 2 nhóm chính chất màu dựa vào cấu trúc hóa học:

+) Dạng thẳng như phycobilins ( màu cam/ đỏ và xanh) (liên quan đến Carotenoids)

+) Dạng vòng, như chlorophylls ( màu xanh) và haem ( màu hồng và đỏ)

Tất cả các dạng vòng và hầu hết dạng thẳng của tetrapyrrole được nghĩ là có thể được liên kết với proteins giúp làm bền những hợp chất sắc tố Do đó những hợp chất haems và chlorophyll tự

do thường không tồn tại trong tế bào sống, hoặc không được tập hợp

Cấu trúc và danh pháp

Khung xương cơ bản của tetrapyrrole vòng và một cấu trúc vòng phẳng, lớn sắp xếp cân xứng bao gồm 4 vòng pyrrole được liên kết với nhau bởi cầu nối –C= ( methane) và 4 nguyên tử nitrogen được kết hợp với nguyên tử kim loại trung tâm Số lượng cacbon hoàn chỉnh của vòng từ C1 đến C20

Trước đó được quy định bởi dãy số Roma từ I đến IV và bậy giờ là từ A đến D cùng với nguyên tắc IUPAC và hệ thống số đếm

Porphyrinogens là những tiền chất của tetrapyrrole vòng, hợp chất tăng đến 3 nhóm cơ bản của phân tử, được phân ra bởi quá trình oxi hóa: porphyrins, dihydroporphyrins và

tetrahydroporphyrins

+) Porphyrins : Phân tử không bao gồm kim loại được xem là tiền chất , hợp chất cơ bản nhất

trong bộ khung xương tetrapyrrole Nó có liên quan đến hemoglobin và myoglobin, chất màu đỏ của máu và cơ, chịu trách nhiệm cho việc vận chuyển oxygen

+) Khử porphyrins được dihydroporphyrins, được biết đến là chlorophylls hay chlorins, mất đi

nối đôi giữa C17 và C18 (vòng D), vì vậy chlorophylls không thuộc vào porphyrins, mặc dù khi có hệ liên hợp C=C Chlorophylls được thêm một vòng thứ 5 (vòng E) Việc thêm 2 cacbon vào

vòng, trước là đối với C9 và C10 ( hệ thống Fischer), còn bây giờ là 13 1 và 13 2 Phân tử

Chlorophyll ở trung tâm buộc một ion Mg2+ thay vì Fe2+

Chlorophyll a và b có hàm lượng cao được tìm thấy ở hầu hết nhiều loại cây, chúng là hai loại

chất màu được nghiên cứu rộng rãi nhất Chúng cùng tồn tại ở tất cả những phần của rau quả: rễ, thân , lá, hoa, quả và hạt, …

Tỉ lệ xấp xỉ của chlorophyll a và b thường là 3:1, nhưng cũng phụ thuộc vào chủng loại, loài,

điều kiện sinh trưởng, và nhân tố môi trường, đặc biệt là mức độ tiếp thu ánh sáng mặt trời cao Mỗi phân tử của chlorophylls a và b bao gồm

+) phần ưa nước ( vòng lớn tetrapyrrole)

+) phần kị nước ( chuỗi terpenoid dài của phytol được ester hóa với nhóm acid tại C17).

Đẳng vòng E có mặt trong chlorophylls là chỗ nhạy cảm, có thể chuyển hóa như epime hóa, tạo

ra đồng phân quang học stereoisomers ngược với hình dạng tại C132 của họ chất màu 132- epichlorophylls, được biết đến là chlorophylls a’ và b’, là những chất màu chính

Chlorophyll c mặc dù được gọi tên là chlorophylls, nhưng là một porphyrins bởi vì vòng D

không khử giữa C17 và C18 Đa số chúng chỉ ra chuỗi mạch acid acrylic không ester hóa tại

C17, dẫn đến sự thay đổi lớn về việc hòa tan bởi vì những hợp chất không ester hóa là phân cực nhiều

Chlorophyll d được xem như xuất phát từ chlorophyll a, với cấu trúc tương tự ngoại trừ nhóm

vinyl tại C3, đã được oxi hóa Chất màu này được xem như thành phân đi kèm chính của

chlorophyll a trong một vài tảo đỏ, tảo vàng

III) Tính chất quang phổ

1/ Quang phổ hấp thụ vùng UV-VIS:

Những cấu trúc nguyên vẹn của chlorophyll hấp thụ mạnh trong vùng đỏ và xanh của quang phổ nhìn thấy bởi vì có hệ thống liên hợp nối đôi có thể vận chuyển màu xanh lá đến những loài

sinh vật chứa chlorophyll, và hệ số hấp thụ mol nằm trong khoảng 104 và 105 M/cm

Quang phổ hấp thụ của chlorophyll a chỉ ra 2 vùng chủ yếu: vùng tại 669nm (Q-band) và tại

432nm (Soret band)

Sự hấp thụ tối đa của chlorophyll b được chuyển về phía vùng xanh lá của quang phổ, chỉ ra 2

vùng chủ yếu: một phần 644nm và còn lại gần 455nm,

Ánh sáng xanh lá cây không được diệp lục hấp thụ mà phản xạ toàn bộ nên ta thường quan sát thấy lá cây có màu xanh

 Nhóm sắc tố chlorophyll có vùng hấp thụ tối đa ánh sáng đỏ và vùng xanh tím

 Nhóm sắc tố carotenoid là nhóm sắc tố có màu vàng, da cam Chúng là các sắc tố vệ tinh của diệp lục (vùng ánh sáng xanh 451nm ÷ 481nm) Khả năng hấp thụ ánh sáng của carotenoid là do

hệ thống liên kết đơn, đôi quyết định

Chính vì những nghiên cứu này mà các nhà sản xuất đèn led đã cho ra đời những loại đèn led chiếu ra các bước sóng phổ như đã nói ở trên để làm sao có thể sử dụng tối ưu nguồn sáng mà đèn led phát ra, chính vì vậy khi nhìn vào các nguồn sáng do đèn led nông nghiệp phát ra thường

có màu xanh và màu đỏ chứ không phải như những loại đèn chiếu sáng thông thường khác ( hai nhóm sắc tố tham gia quang hợp là diệp lục (chlorophyll) và carotenoid trong đó diệp lục chiếm quan trọng)

2/ Quang phổ huỳnh quang:

Cả chlorophylls a và b đều là chất huỳnh quang, quang phổ chỉ chứa 1 vùng chính bởi vì sự phát

ra luôn bắt đầu từ trạng thái kích thích đầu tiên

Bởi vì chlorophyll hấp thụ ánh sáng, năng lượng được truyền đi và những sắc tố được nâng cao từ trạng thái năng lượng thấp đến trạng thái giàu năng lượng, việc đó được giải thích là khả năng phóng thích photon và sau đó phóng thích huỳnh quang.

Quang phổ của chlorophyll bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, nồng độ mol, sự tập hợp trong dung môi Sự đóng góp của chlorophylls trong những loài sinh vật quang tổng hợp:

IV) Sinh tổng hợp và sự phân hủy:

1/ Sinh tổng hợp của Chlorophyll trong thực vật bậc cao:

Quá trình sinh tổng hợp của tetrapyrrole diễn ra một cách toàn bộ trong plastid và hợp thành một vài bước enzim hóa bắt đầu từ 5-aminolevulinic acid (ALA), nơi tiền chất then chốt để tạo ra chlorophyll

Cơ chế được chấp nhận nhất của sự hình thành ALA là dường như tất cả mô quang tổng hợp

theo đường của C5 được đề xuất bởi Beale và Castelfranco, cho rằng phân tử C của glutamate hoặc α-ketoglutarate được chuyển hóa thành ALA ( figure 2.1.3)

Thông qua cơ chế đó, ALA là kết quả của sự ngưng tự succinyl CoA với glycine

Việc tổng hợp monopyrrole porpholinogen từ 2 phân tử ALA từ sự dehydrat ALA với việc loại bỏ 2 phân tử nước, theo sau là sự sắp xếp của tetrapyrrole hydroxylmethylbilane từ 4 phân tử porphobilinogen Điều đó là tạo ra vòng lớn tetrapyrrole Vì vậy, 8 phân tử ALA là cần thiết để

hình thành 1 phân tử vòng lớn tetrapyrrole

Sau đó, quá trình chuyển hóa enzyme của dạng chuỗi (acetic và propionic acid) được kèm theo

với mỗi vòng có 4 phân tử pyrrole, xúc tác bởi uroporphyinogen decarboxylase và

coproporphyrinogen oxidase tạo ra protoporphyrinogen IX.

Bước tiếp theo, vòng lớn được oxy hóa với sự có mặt của ánh sáng, O2, và 6 nguyên tử H được

loại bỏ để tạo thành sắc tố bền Cấu trúc đó chứa hệ thống liên hợp 11 nối đôi phẳng để xác định

tính chất quang phổ của chlorophyll

Việc chèn thêm kim loại Fe để tạo thành haem, nhưng nếu Mg được chèm vào thì trở thành

chlorophyll

Quá trình ester hóa của chuỗi mạch acid propionic tại C13 ( vòng C) với nhóm methyl xúc tác

bởi S-adenosyl-L-methionine-magnesium protoporphyrin O-methyltransferase tạo ra

protoporphyrin IX monomethyl ester (MPE)  tạo vòng 5 phẳng (vòng E)

Sau đó làm mất đi nối đôi giữa C17 và C18 của vòng D để tạo thành dehydroporphyrin (chlorin),

gọi là chlorophyllide, tạo nên màu xanh cho phân tử Quá trình gần như phụ thuộc vào ánh sáng, được diễn ra bởi enzyme NADPH-protochlorophyllide oxidoreductase (POR)

Bước cuối cùng của tổng hợp chlorophyll liên quan đến việc thêm vào phytol (tetra-isoprene

alcohol) (C20H39OH) bởi quá trình ester hóa propionic acid tại C17 của vòng D với enzyme chlorophyll synthase, có thể chỉ ra sự tổng hợp và sự thoái hóa quá trình Sự có mặt của phytol cho thấy đặc điểm của phân tử ái dầu, tạo điều kiện tương tác với chuỗi peptide từ màng

thylakoid

Điều đó cho thấy rằng những bước đầu sinh tổng hợp chlorophyll a và b là tương tự nhau Chlorophyll b được tạo thành bằng cách thêm bước chuyển đổi nhóm methyl tại C7 của vòng B vào nhóm aldehyde, Chlorophyll b diễn ra như một chất màu phụ trợ của hệ thống thu thập ánh sáng ở cây xanh và tảo xanh, khoảng 1/3 hoặc ít hơn so với tổng lượng chlorophyll.

Chlorophyll c, giả định rằng việc sinh tổng hợp từ protochlorophyllide a bởi sự dehydrogen hóa chuỗi mạch tại C17.

Chlorophyll d cũng từ chlorophyll a bởi sự oxy hóa ở C3- vinyl, nhưng giai đoạn sinh tổng hợp diễn ra thì chưa biết được.

2/ Sự phá hủy Chlorophyll trong quá trình già đi của cây và tạo quả:chia thành 2 giai đoạn

chính:

+ Giai đoạn đầu của phản ứng tạo ra dẫn xuất hơi xanh

Những giai đoạn đầu của việc trao đổi chất đưa đến việc thay thế Mg bằng 2 nguyên tử H dưới điều kiện acid hoặc bằng hoạt chất Mg-dechelatase hay sự phân tách chuỗi phytol bằng enzyme

chlorophyllase Những chất trung gian hơi xanh vẫn là pheophytins, chlorophyllides, và

pheophorbides với vòng tetrapyrrole nguyên

+ Giai đoạn sau tạo những hợp chất không màu bởi quá trình oxi hóa mở vòng

Đó là một quá trình xảy ra nhanh chóng

Những giai đoạn phân hủy sau là “de-greening” trong suốt việc hình thành tetrapyrrole thẳng

không màu Những mẫu thí nghiệm với đồng vị oxygen và nước nặng chỉ ra vùng chọn lọc

quang học cao để mở vòng lớn giữa C4 và C5 xúc tác bởi pheophorbide a monoxygenase (PaO) tạo ra red chlorophyll catabolite (RCC).

RCC rất là kém bền và suy giảm nhanh chóng thành primary fluorescent chlorophyll catabolite

(pFCC) bởi red chlorophyll catabolite reductase (RCCR).

Những bước tiếp theo, pFCC sẽ chuyển hóa thành pFCCs khác nhau.

Những hợp chất không ổn định sẽ được chuyển hóa tiếp thành nonfluorescing chlorophyll

catabolites (NCCs) không màu bằng sự kết hợp lại của 4 vòng pyrrole Sự hydroxyl hóa và kết

hợp với nhóm ưa nước làm gia tăng tính phân cực , tạo điều kiện để đưa đến không bào

Những NCCs được đề nghị là sản phẩm cuối cùng của việc “breakdown” chlorophyll trong

không bào đối với quá trình lão hóa của cây Tuy nhiên, bằng chứng đề cập rằng NCCs có thể bị oxy hóa thành sản phẩm bị gỉ màu khi có mặt không khí, và trong khi lá bị lão hóa, chúng bẻ gãy từng monopyrroles Những phản ứng kết hợp giữa PaO và RCCR cho thấy sự hao tổn của hoạt

động quang động học được xem là quá trình detoxi hóa cần thiết trong suốt quá trình lão hóa Quá trình đó là kết quả của sự liên hợp lại hệ thống điện tử π

V) Chức năng của Chlorophyll :

Chlorophyll có vai trò cần thiết và trung tâm trong quá trình quang tổng hợp, tạo nên nền tảng cho chuỗi thức ăn động vật, nơi đa số những sinh vật sống phụ thuộc Chlorophylls được sắp xếp trong những phức hợp ánh sáng được gọi là diệp lục, có trong màng lipid hoặc thylakoid, tạo khu vực hấp thụ tối đa

Chức năng chính của chlorophylls là bắt ánh sáng mặt trời và năng lượng hấp thụ ánh sáng để kích thích electron đến trung tâm phản ứng, nơi được sử dụng đến chuyển hóa CO2 và nước thành carbohydrate và giải phóng oxygen

Cơ chế:

Quá trình phức tạp của quang tổng hợp oxygen bao gồm pha sáng và pha tối, được diễn ra trên màng thylakoid và trong stroma của diệp lục một cách tương ứng Năng lượng hấp thụ toàn bộ của lượng tử sản sinh trạng thái e kích thích được di chuyển vào trung tâm phản ứng , nơi năng lượng ánh sáng được chuyển hóa thành năng lượng hóa học như là khử nicotinamide

dinucleotide (NADPH) và adenosine triphosphate (ATP).

+) Pha sáng: oxygen được phóng thích

+) Pha tối : diễn ra chu trình Calvin , phân tử giàu năng lượng sẽ khử CO2 để tổng hợp

carbohydrate-phosphorylated glucose, fructose, và sucrose đơn giản

Những chất màu quang tổng hợp được liên kết đến proteins hoặc peptides của màng thylakoids

trong sự kết hợp cầu nối giữa Mg trung tâm của chlorophyll

Những phức chất được sắp xếp vào 2 hệ thống chức năng kết hợp, có tên photosystemI (PS I) và photosystem II (PS II) :

+) PS II liên quan đến việc loại bỏ hydrogen từ nước, tạo ra oxygen, protons và electrons (2H20

 O2 +4H+ +4e-)

+) PS I thúc đẩy việc khử NADP

Dòng electron từ PS II đến PS I xuyên suốt 1 chuỗi những chất mang electron trung gian, có nghĩa chúng di chuyển từ phía bên ngoài vào phía bên trong của màng thylakoid

Những màng quang tổng hợp được tạo ra từ việc sắp xếp những đơn vị quang tổng hợp cho mỗi

mạng lưới được gọi là phức hợp chlorophyll–protein ăn ten giúp thu nhận ánh sáng đến trung

tâm phản ứng, bắt đầu từ chuỗi vận chuyển electron

Toàn bộ phân tử chlorophyll là sự cộng hưởng hybrid của một vài sắp xếp nối đôi, làm cho chất màu có khả năng bắt ánh sáng photons và đưa năng lượng sang những phân tử kế cận cho

đến khi sự tập trung năng lượng diễn ra

***Những phức chất chlorophyll–protein được xác định ở màng thylakoid kị nước là được đi kèm với xanthophylls, certain carotenes, và tocopherols ( phụ thuộc vào nhiều loài sinh vật) đóng vai trò phụ trợ:

+) Carotenoids đóng một vai trò quan trọng để bảo vệ màng lipid khỏi sự oxi hóa bởi năng

lượng dư thừa của chlorophyll và phản ứng của oxygen

+) Tocopherols hoạt động như chất chống oxi hóa, ngăn chặn oxygen và những gốc tự do, gốc

peroxide

VI) Sự cần thiết của chlorophyll đối với con người:

a/ Trong một cuộc thử nghiệm lâm sàng ở Trung Quốc, phát hiện liều lượng quá 300mg/ ngày của Cu chlorophyllin ở người có mức độ phát hiện aflatoxin làm phá hủy cấu trúc DNA

Việc thêm vào trong rau quả đối với thực đơn hằng ngày là rất cần thiết Bởi vì trong rau quả thường chứa đến 200mg chlorophyll/ 100 g khối lượng tịnh, một lượng xấp xỉ khoảng 1 đến 2 cốc rau/ 1 ngày sẽ đưa vào 1 lượng chlorophyll giúp làm giảm sự phá hủy DNA do aflatoxin

b/ Chế độ ăn uống với lượng thịt đỏ cao và lượng rau xanh ít sẽ làm tăng rủi ro ung thư ruột già

Nguyên nhân: do haem được trao đổi chất trong ruột làm tăng chất độc trong ruột già, xem như một yếu tố rủi ro quan trọng cho sự phát triển bệnh ung thư

Điều đó có ý nghĩa rằng rau bina và chlorophyll tự nhiên được cô lập sẽ ngăn chặn sự sinh sôi của tế bào ruột già và vì vậy làm giảm rủi ro ung thư ruột già