Chlorofil a i b różnią się tylko jedną grupą boczną, a ich widma są zauważalnie przesunięte
Chlorofil a i chlorofil b mają niemal identyczny makrocykliczny szkielet z magnezem w centrum. Kluczowa różnica dotyczy jednego podstawnika: chlorofil a ma grupę metylową –CH₃, a chlorofil b w odpowiadającym miejscu grupę formylową –CHO. Z pozoru drobna zamiana zmienia rozkład elektronów w rozległym sprzężonym układzie chlorinowym, przesuwając energie przejść optycznych. W jednym z klasycznych pomiarów maksimum czerwonego pasma chlorofilu a leży około 665 nm, a b około 646 nm. Roślina wykorzystuje oba pigmenty, by poszerzyć zakres efektywnie pochłanianego światła.
Oba pigmenty mają wspólny chlorinowy rdzeń
Cztery pierścienie pirolowe tworzą rozbudowany tetrapirol z Mg²⁺ związanym przez atomy azotu. Długi hydrofobowy ogon fitolowy pomaga zakotwiczać cząsteczki w błonach tylakoidów.
Jedna grupa zmienia charakter elektronowy pierścienia
–CH₃ jest słabo elektronodonorowa, natomiast –CHO silniej wyciąga i uczestniczy w sprzężeniu z makrocyklem. To modyfikuje rozkład gęstości elektronowej bez przebudowy całego szkieletu.
Chlorofil pochłania słabo zieloną część widma, dlatego liście odbijają i przepuszczają dużo zieleni. Nie oznacza to jednak, że fotosynteza „nie używa zielonego światła” w ogóle: w tkance działa wiele pigmentów, rozpraszanie zwiększa drogę fotonów, a zielone światło może penetrować głębiej niż czerwone lub niebieskie. Widmo pojedynczej cząsteczki i wydajność całego liścia to różne poziomy opisu.
Widmo chlorofilu ma dwa główne regiony
Silne pasmo Soret leży w niebiesko-fioletowej części widma, a tzw. pasmo Q w czerwonej. Dokładne położenie zależy od pigmentu, rozpuszczalnika i białkowego otoczenia.
Formyl w chlorofilu b obniża energię niektórych orbitali i zmienia rozkład ładunku w makrocyklu. Dzięki temu widma a i b nie są prostą kopią przesuniętą o stałą wartość w każdym paśmie. Konkretne białko antenowe dodatkowo nadaje każdemu pigmentowi nieco inne mikrośrodowisko, więc organizm tworzy cały zestaw energetycznych „odcieni” z tylko kilku typów chlorofilu.
Chlorofil b uzupełnia chlorofil a
Różne maksima oznaczają, że zestaw pigmentów może pochłaniać światło w szerszym zakresie niż jeden z nich. Energia wzbudzenia chlorofilu b jest następnie przekazywana do centrów reakcji zawierających chlorofil a.
Białko dodatkowo stroi pigment
Ta sama cząsteczka chlorofilu może mieć nieco inne widmo w roztworze niż związana w kompleksie fotosyntetycznym. Pole elektrostatyczne, odległości między pigmentami i geometria białka przesuwają poziomy elektronowe.
Energia wzbudzenia może przeskakiwać pomiędzy pigmentami bez emisji i ponownej absorpcji fotonu, poprzez rezonansowy transfer energii. Efektywność zależy od odległości, orientacji dipoli przejścia i nakładania widm. Kompleks antenowy jest więc nanometrową siecią, w której białko ustawia chlorofile tak, aby wychwycona energia migrowała do centrum reakcji.
Roślina potrafi enzymatycznie zamieniać a i b
Cykl chlorofilu reguluje skład anten świetlnych. Odpowiednie enzymy przekształcają grupę metylową i formylową, dostosowując stosunek pigmentów do warunków oświetlenia.
Jedna funkcja działa jak pokrętło koloru
Nie trzeba wymieniać całego chromoforu, by zmienić jego absorpcję. Niewielka modyfikacja elektronowa na obrzeżu wielkiego sprzężonego układu stroi widmo o dziesiątki nanometrów — zasada wykorzystywana również w syntetycznych barwnikach.
Jesienią rozpad chlorofilu odsłania wcześniej obecne karotenoidy oraz prowadzi do własnych produktów katabolicznych. Zanik zieleni nie oznacza, że wszystkie inne pigmenty zostały nagle zsyntetyzowane w jednym momencie. Chemiczne usunięcie dominującego absorbera zmienia kolor całego organu. Ponownie to suma widm mieszaniny, a nie „kolor pojedynczej substancji”, decyduje o tym, co widzimy.
Chlorofil b można traktować jako pigment antenowy szczególnie związany z białkami LHC. Jego udział zmienia się w odpowiedzi na warunki świetlne: rośliny cieniolubne lub liście przystosowane do słabego światła często zwiększają względną ilość chlorofilu b i rozmiar anteny względem centrów reakcji. Stosunek a/b jest więc wskaźnikiem organizacji aparatu fotosyntetycznego, a nie stałą dla wszystkich zielonych tkanek. Jedna grupa –CHO, która stroi widmo molekuły, staje się elementem większej strategii fizjologicznej regulującej, jak dużo światła komórka potrafi zebrać.
Chlorofil bez centralnego Mg może przejść w feofitynę, np. podczas zakwaszenia i ogrzewania zielonych warzyw. Zmiana metalu/protonacji modyfikuje widmo i zieleń staje się bardziej oliwkowa. Codzienna zmiana koloru gotowanych roślin jest więc kolejnym przykładem strojenia tego samego tetrapirolowego chromoforu przez niewielką zmianę chemiczną.