葉綠體色素

植物葉綠體色素主要有三類：1）葉綠素 2）類胡蘿蔔素 3）藻膽素。高等植物葉綠體中含有前兩類，藻膽素僅存在於藻類植物中。

高等植物體內葉綠素（chlorophyll）主要有兩種：葉綠素a、b（簡寫為chla、chlb，其結構式見圖7-3），chla通常呈藍綠色，而chlb呈黃綠色，chlb是chla局部氧化的衍生物。chla是chlb的三倍，二十世紀30年代，知道了葉綠素的分子結構，50年代末期，人工合成了葉綠素a，其它色素也幾乎在同時發現。

葉綠體中的類胡蘿蔔素主要包括胡蘿蔔素（carotene）和葉黃素（lutein）兩種，前者呈橙黃色，後者呈黃色。葉黃素是胡蘿蔔素的二倍。一般植物葉綠素是類胡蘿蔔素的三到四倍；

胡蘿蔔素：C40H56 （有α、β、γ三種同分異構體）

葉黃素： C40H54（OH）2 (同分異構體很多)

這二大類四種色素都不溶於水，而溶於有機溶劑，如乙醇、丙酮等。通常用80%的丙酮或丙酮：乙醇：水為4.5：4.5：1的混合液來提取葉綠素。

按化學性質來說，葉綠素是葉綠酸的酯，在鹼的作用下，可使其酯鍵發生皂化作用，生成葉綠酸的鹽，能溶於水，但由於它保留有Mg核的結構，仍保持原來的綠色。而類胡蘿蔔素中，胡蘿蔔素是不飽和的碳氫化合物，β—胡蘿蔔素水解可生成2分子維生素A，葉黃素是由胡蘿蔔素衍生的二元醇，不能與鹼發生皂化反應，根據這一點，可以將葉綠素和類胡蘿蔔素分開。此外，葉綠素還可以在酸的作用下，其中的Mg被H所代替形成褐色的去Mg葉綠素：去Mg葉綠素能與其他金屬鹽中的銅、鋅、鐵鹽等代H，又重新呈現綠色，比原來的綠色更穩定。根據這一原理可用醋酸銅處理來保存綠色標本。

1．葉綠體色素的功能

葉綠素和類胡蘿蔔素都包埋在類囊體膜中，與蛋白質結合在一起，組成色素蛋白複合體，根據功能來區分，葉綠體色素可分為二類：

（1）作用中心色素：葉綠素分子含有一個卟啉環的“頭部”和一個葉綠醇的“尾部”，呈蝌蚪型，大卟啉環由四個小吡咯環以四個含有雙鍵的甲烯基（-CH=）連接而成。鎂原子居於卟啉環的中央，偏向於帶正電荷，與其相聯的氮原子則偏向於帶負電荷，因而其“頭部”具有極性，是親水的，可以與膜上的蛋白質結合；而其“尾部”是葉綠酸的雙羧基被甲醇和葉醇所酯化后形成的脂肪鏈，具疏水親脂性，可以與膜上的雙卵磷脂層結合，因此，這決定了葉綠素分子在類囊體膜上是有規則的定向排列。極少數具特殊狀態的chla分子，其卟啉環上的共軛雙鍵易被光激發而使電子與電荷分離，引起光能轉化為電能的重要反應，因此這些chla分子是光合作用的重要色素，稱“作用中心色素”；

（2）天線色素（聚光色素）：沒有光化學活性，只有收集光能的作用，包括大部分chla 和全部chlb、胡蘿蔔素、葉黃素。這些色素排列在一起，象漏斗一樣，把光傳遞集中到作用中心色素，引起光化學反應。類胡蘿蔔素還是一種保護性色素，在光過強時，可耗散過剩激發能，消除活性氧自由基，防止光合器官被氧化損傷。

（1）色素的吸收光譜

太陽光不是單色光，如果將它通過三棱分光鏡，可以看到由赤、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的光所組成的連續光譜，稱太陽光譜 (見圖7-5)。圖7-5 太陽光的光譜

太陽可見光的波長大約在390~760 nm之間，波長與能量成反比。如果把葉綠體色素提取液放在光源和分光鏡中間，就可以看到光譜中有些波段的光被色素吸收了，在光譜上出現黑線帶，這種光譜叫葉綠體色素的吸收光譜。從葉綠體色素的吸收光譜可以看出：葉綠體色素對光的吸收具有選擇性，葉綠素的吸收光譜的最強吸收帶有兩個（見圖7-6）：一個在波長為640~660 nm的紅光部分，另一個在430~450 nm的藍紫光部分。在光譜的橙光、黃光和綠光部分只有不明顯的吸收帶，其中尤以對綠光的吸收最少。由於葉綠素對綠光吸收最少，所以葉綠素的溶液呈綠色。從圖中看出葉綠素a和葉綠素b相比，吸收光譜略有不同：葉綠素a的紅光部分的吸收帶寬些，偏向長光波方面，吸收峰較高；在藍紫光部分的窄些，偏向短光波方面，吸收峰較低。

胡蘿蔔素和葉黃素的吸收光譜與葉綠素不同，其最大吸收帶在400～500nm的藍紫光區（圖7-7），不吸收紅光等長波光，而且在藍紫光部分吸收的範圍比葉綠素寬一些。

太陽的直射光含紅光較多，散射光含藍紫光較多。陰生植物中有較多的類胡蘿蔔素，可以利用類胡蘿蔔素吸收較多的藍紫光，把能量轉給葉綠素，在較弱的光下，仍能夠進行一定強度的光合作用，這是植物在長期進化過程中對環境形成的一些適應特性。

（2）熒光現象和磷光現象

將葉綠素溶液盛於試管內，在透射光下看呈綠色，在反射光下看呈深紅色（葉綠素 a為血紅光，葉綠素b為棕紅光），這種現象叫熒光現象。熒光現象產生的原因大致如下：

光具有波粒二象性，對光合作用有效的可見光的波長是在400—700 nm之間，同時光又 是一粒一粒地運動著的粒子流，每一粒子叫一個光子，光子所具有的能量，叫做光量子。光子攜帶的能量與光的波長成反比。每摩爾光量子具有的能量如下：

E=N hυ=Nhc/λ

式中E為能量（千卡），N為阿伏加德羅常數（6.02×1023），h為普朗克常數（6.6262×10-34JS），υ為頻率（s-1），c是光速（2.9979×108m s-1），λ是波長（nm）。每摩爾光量子的能量通常是以千卡或愛因斯坦來表示。

當葉綠素分子吸收光量子后，就由低能級的基態提高到了一個高能級的激發態（圖7-8）。，根據波爾（Bohr）理論，電子從近核低能軌道躍到遠核高能軌道上為激發態（第一、二單線態），激發態的葉綠體分子極不穩定，又迅速由激發態恢復到基態，同時向空間發射光子，稱為熒光。恆溫下，熒光的光子要比吸收的光子能量低，所以放出的波長更長、顏色更紅些，因而使葉綠素溶液在入射光下呈綠色，而在反射光下呈紅色。

葉綠素的熒光現象說明葉綠素能被光所激發，而葉綠素分子的激發是其能將光能轉變為化學能的前提。在整體植物中，葉綠素所吸收的光能被用於光合作用，因此看不到熒光現象。

當熒光出現后，立即中斷光源，色素分子仍能持續短時間的放出“餘輝”，稱磷光現象。這種現象的原因是處於第一單線態的激發態的葉綠素分子，先以熱能的形式丟失掉一部能量，轉為一種亞穩定態（第一三線態），從亞穩定態回到基態時放出的光子便為磷光，其壽命比熒光長（熒光為10-9s，磷光為10-3—10-2s），但比熒光弱。

（一）葉綠素的形成

葉綠素在植物體內，能不斷的進行新陳代謝，如菠菜的葉綠素72小時更新95.8%；煙草19天後更新50%，其合成與分解受植物遺傳控制（如吊蘭葉的白邊），也與環境關係密切。

高等植物的葉綠素形成可以分為兩個階段，第一個階段：主要是由α-酮戊二酸（或由其和氨形成的谷氨酸）經過一系列複雜的生化反應合成葉綠素的前身物質—無色的原葉綠酯；第二個階段：原葉綠酯在光下被還原，成為綠色的葉綠素。

（二）葉綠素形成的條件

1．光照 光是葉綠素形成的必要條件，原葉綠素必須經過光照后才能合成葉綠素。缺乏光照或其他某些條件，影響葉綠素形成，使葉子發黃的現象，稱黃化現象。由於黃化部位，機械組織不發達，肉質細嫩，生產上常用於遮光培育韭黃、蒜黃、蔥白等；而光太強對葉綠素也不利，會使葉綠素氧化、褪色、去鎂，並形成對膜有害的自由基。

有些植物或植物部分無光照條件也能形成葉綠素，如松、柏，蓮子胚芽等，推測這些植物中含有代替可見光促進葉綠素合成的物質。

2．溫度 溫度主要通過影響葉綠素合成酶的活性而影響葉綠素的合成。一般葉綠素形成的最低溫度為2～4℃，最適26-30℃左右，最高約40℃。早春植物幼芽、葉呈黃綠色，是低溫影響了葉綠素的形成的緣故。

3．礦質營養 礦質元素對葉綠素形成也有很大影響。N和Mg是葉綠素的組成成分，Fe、Mn、Cu、Zn等在葉綠素合成過程中也是必不可缺少的元素，缺少這些元素會引起缺綠症。特別是氮素，植株體內氮水平高低可影響葉綠色的深淺，生產上以此來判斷氮肥的豐缺。

4．水分和氧氣 植物缺乏水和O2，不僅抑制葉綠素的形成，還會促進原有葉綠素的分解。所以嚴重高溫、乾旱缺水和澇害缺O2時，葉子常表現黃色褪綠現象。

由於葉綠素的形成受許多條件的影響，所以葉色是反映植物的營養情況和健康狀況的一個很靈敏的指標，成為肥水管理和調控作物生長發育的依據之一。