葉綠素 (Chlorophyll) 是一類與光合作用有關的最重要的光合色素，同時也是綠色植物的主要色素。葉綠素是脂溶性色素，不溶于水，可溶于丙酮、乙醇和乙醚等有機溶劑。葉綠素種類較多，主要分為葉綠素a、b、c、d、f、原葉綠素、細菌葉綠素、去鎂葉綠素等8種類型。
葉綠素共同結構特征是含有卟啉環結構，這種共同結構決定它們在光合作用中具有類似的功能。絕大部分葉綠素的作用是吸收及傳遞光能，僅極少數葉綠素a分子起轉換光能的作用。不同葉綠素成員的結構又存在明顯差異，以使不同的光合生物適應不同的生活環境。
葉綠素具有抗氧化、抗突變、抗炎癥、抑制癌細胞、清除重金屬污染、減輕黃曲霉毒素致癌效果等作用。
發現歷史
早在1817年，法國化學家佩爾蒂埃（Pierre-Joseph Pelletier）與卡旺圖（Joseph-Bienaimé Caventou）合作，首先從植物中萃取得到一種綠色色素并命名為葉綠素。1838年，瑞典化學家貝澤利烏斯（Berzelius）報道了有關葉綠素的萃取方法。1864年，英國科學家斯托克斯（George Gabriel Stokes）又發現了葉綠素并非單體，而是綠色色素的混合物。1906年，植物學家茨維特（Mikhail Semenovich Tsvet）發明了色譜法，并利用此方法分離了葉綠素a與葉綠素b。
1906年德國化學家威爾斯泰特（R.Willst?tter）采用色層分離法提取綠葉中的物質，經過10年的努力，成功捕捉到葉綠素，并證明葉綠素中含有鎂原子，同時證實高等植物的葉綠素是兩種葉綠素的混合物（葉綠素a和葉綠素b），他因此獲得1915年諾貝爾化學獎。隨后，德國化學家漢斯·菲舍爾（H.Fischer）闡明了葉綠素a的化學結構,證實葉綠素和血紅素的結構相似，核心結構均是由卟啉構成的，他也因此獲得1930年諾貝爾化學獎。1960年，美國化學家伍德瓦德（R.B.Woodward）發表了葉綠素a分子的人工合成方法，他因為在葉綠素等復雜有機化合物合成方面的杰出貢獻而獲得1965年諾貝爾化學獎。此后，科學家在自然界中陸續發現了100余種葉綠素及其衍生物。
特性
結構
葉綠素是含鎂的四吡咯衍生物，由4個吡咯環和4個甲烯（-CH=）連接成一個大環，稱作卟啉環，也稱為葉綠素的“頭部”。鎂原子居于卟啉環的中央，偏向于帶正電荷，與其相連的氮則偏向于帶負電荷，因而卟啉具有極性，是親水的，可以與蛋白質結合。卟啉環上連接一個含羰基和羧基的副環（V），稱為同素環，副環上的羧基以酯[zhǐ]鍵和甲醇結合。以酯鍵與Ⅳ吡咯環側鏈上的丙酸相結合的部分稱葉綠醇或植醇，此部分稱為葉綠素的“尾部”。葉綠醇是由4個異戊二烯單位組成的雙萜[tiē]，故“尾部”是親脂的。
葉綠素a和葉綠素b在結構上的區別僅在吡咯環Ⅱ上的附加基團不同，葉綠素a含有一個甲基，而葉綠素b則含有一個甲醛基。
理化性質
物理性質
葉綠素為綠至暗綠色的塊、片或粉末，或黏稠狀物質，略帶異臭，葉綠素a為藍黑色晶體，熔點150-153℃，葉綠素b為深色晶體，熔點120-130℃。易溶于醚、醇、丙酮、三氯甲烷、二硫化碳和苯，難溶于冷甲醇，幾乎不溶于石油醚。
化學性質
葉綠素不很穩定，光、酸、堿、氧、氧化劑等都會使其分解。酸性條件下，葉綠素分子很容易失去卟啉環中的鎂成為去鎂葉綠素。人工制備的葉綠素膜能進行部分類似光合作用的反應，在光下能產生光電位和光電流，使某些化合物氧化或還原。葉綠素是葉綠酸的酯，能發生皂化反應。
葉綠素分子中的鎂離子被銅、鐵、鈷等離子取代而成為葉綠素衍生物，這些衍生物對光、熱、酸的穩定性大大提高，性質也更加為穩定。葉綠素衍生物有葉綠素銅鈉鹽、葉綠素鎂鈉鹽、葉綠素鉀鈉鹽、葉綠素銅鉀鈉鹽、葉綠素鐵鈉鹽、葉綠素銅鉀鹽、葉綠素鋅鈉鹽等。
分類
葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，是一類含脂的色素家族，位于類囊體膜。葉綠素吸收大部分的紅光和紫光但反射綠光，所以葉綠素呈現綠色，它在光合作用的光吸收中起核心作用。葉綠素為鎂卟啉化合物，包括葉綠素a、b、c、d、f以及原葉綠素和細菌葉綠素等。葉綠素分為葉綠素a、葉綠素b、葉綠素c、葉綠素d、葉綠素f、原葉綠素、細菌葉綠素和去鎂葉綠素等。
葉綠素a
葉綠素a（C55H72O5N4Mg）的分子結構由4個吡咯環通過4個甲烯（=CH—）連接形成環狀結構（即卟啉），卟啉環中央結合著1個鎂原子，同時還具有1個植基（如葉綠醇）的“尾巴”——即最長的側鏈。在酸性環境中，卟啉環中的鎂可被H取代稱為去鎂葉綠素，呈褐色，當用銅或鋅取代H，其顏色又變為綠色。此種色素穩定，在光下不退色，也不為酸所破壞，浸制植物標本的保存，就是利用此特性。
葉綠素b
葉綠素b（C55H70O6N4Mg）的分子結構和葉綠素a很相似，兩者細微的不同之處在于在葉綠素b分子結構上有1個醛基，而葉綠素a相同位置上則是1個甲基，因此葉綠素b更易溶于極性溶劑。
植物的光合作用包括光系統I和光系統II，都是由兩種復合體構成，即核心復合物和捕光天線復合體。其中捕光天線復合體能捕獲光能并迅速傳遞至反應中心引起光化學反應。葉綠素b是構成捕光天線復合體的重要組成部分，它不僅具有吸收和傳遞紅光和藍紫光的作用，而且在調控光合機構天線的大小、維持捕光天線復合體的穩定性及對各種環境的適應等過程中都起作用。
葉綠素c
在綠色光合成細菌的綠色體中，如硅藻和褐藻，不存在葉綠素b，取而代之的是葉綠素c，葉綠素c在這些生物中是一種非常重要的吸收光的色素。葉綠素c還可細分為c1、c2和c3三個亞型，主要存在于低等藻類植物中。
葉綠素c分子骨架上碳原子的價電子已不為碳原子所占有，其電子軌道擴展到整個卟啉環，電子是在整個分子中運動。與葉綠素a相比，其分子結構的最大特點是不存在植基的長側鏈，而頭部結構與葉綠素a相同。葉綠素c1（C35H30O5N4Mg）和葉綠素c2（C35H28O5N4Mg）的區別在于：C8團的位置c2比c1多了1個雙鍵，而c3的結構組成仍存爭議。
葉綠素d
1943年首次被報道的葉綠素d（C54H70O6N4Mg）與葉綠素a在結構上相似，但Ⅰ環(C3團)上的乙烯基被醛基取代，從而其吸收峰值與葉綠素a相比向長波側移動約30nm。其主要存在于藍藻中，例如深海單細胞藍藻Acaryochlorismarina以葉綠素d為主要的捕光色素，其幾乎完全替代葉綠素a行使功能，能利用葉綠素a,b,c所不能利用的近紅外光，即波長700-750nm的近紅外光線，從而適應陰暗的生存環境。日本科學家曾在《科學》雜志上稱，葉綠素d在地球海洋與湖泊中廣泛存在，這種葉綠素可能是地球上碳循環的驅動力之一。他們估計，若將全球范圍內葉綠素d吸收的二氧化碳換算成碳，每年可能約有10億噸，相當于大氣中平均每年二氧化碳增加量的約1/4。
葉綠素f
2010年華人科學家陳敏博士在西澳大利亞鯊魚灣的一種藻青菌菌落中偶然提取到這種葉綠素，將其命名為葉綠素f。葉綠素f與葉綠素a相比其C2團的位置由醛基替代了甲基，并且C3團的位置多了1個雙鍵。正是這個微小的化學修飾顯著地改變了它的光學性質，使得葉綠素f的吸收波長大約有760nm，比葉綠素d的紅外波長寬了有20nm左右。
細菌葉綠素
對于不放氧的光合細菌而言它們存在著另一類葉綠素——細菌葉綠素（C55H74MgN4O6）。細菌葉綠素分子通過自己的中心Mg2+和捕光蛋白上的His殘基非共價的結合，通過其大環的頭部及葉綠醇尾部與類胡蘿卜素以疏水鍵結合，臨近的細菌葉綠素分子之間或者細菌葉綠素和類胡蘿卜素分子之間還存在微弱的氫鍵相互作用,這一系列相互作用力構成了穩定的空間結構。
細菌葉綠素的研究在20世紀90年代引起了很多科學家的興趣，它與葉綠素相比最顯著不同的是其最大吸收光譜均為700nm以上的紅外光線。所有光合細菌中都會存在細菌葉綠素a，紫色光合細菌中還含有細菌葉綠素b，此外還有其他類型的細菌葉綠素存在。
原葉綠素
原葉綠素是無色的，化學式為C35H32O5N4Mg，分子量為612.96，主要吸收近紅光和藍紫光，具有較強熒光性，用藍光照射下，積累原葉綠素擬南芥突變體會發出紅色熒光。原葉綠素在黃化植物幼苗中含量較高，其與蛋白質結合，吸收光能，被還原成脫植基葉綠素a，脫植基葉綠素a是所有葉綠素合成的前體物質，呈橄欖綠色。在被子植物門中，催化此步反應的原葉綠素氧化還原酶是需光性的，如果生長在黑暗環境中，植物就會逐漸褪去綠色，形成白化苗。在裸子植物、藻類和光合細菌中含有一種不依賴光的原葉綠素氧化還原酶，可以使此類生物體在黑暗環境中也能合成脫植基葉綠素a，使植物葉片呈現綠色。在維管植物中，脫植基葉綠素a第Ⅳ吡咯環上的丙酸與植醇（亦稱葉綠醇）酯化，形成葉綠素a，然后再由葉綠素a演變成葉綠素b。
去鎂葉綠素
去鎂葉綠素呈褐色，植物體中去鎂葉綠素含量較少，只在光系統Ⅱ的反應中心上結合著1個去鎂葉綠素，參與光合作用電子傳遞，是第一個電子傳遞受體。葉綠素脫鎂后吸收峰波長變長。例如，葉綠素a和葉綠素b在酸性條件下脫鎂后，在90％丙酮中的紅光區吸收峰波長為665nm。
光合作用
在光合作用中，葉綠素只參加光合作用中光反應階段。絕大部分葉綠素的作用是吸收及傳遞光能，僅極少數葉綠素a分子起轉換光能的作用。它們在活體中大概都是與蛋白質結合在一起，存在于類囊體膜上。?
光合作用的光吸收又叫原初反應（primaryreaction），該反應是光合作用的第一幕，它是指葉綠素分子從被光激發至引起第一個光化學反應為止的過程，包括光能的吸收、傳遞和轉換。當光照射到葉綠素時，光量子（或光子）的粒子或量子的能量就全部交給化學基團中的電子，獲得額外能量的電子便有足夠的力量來克服原子核正電荷的吸引力，于是便躍遷到處于高能量水平的外層電子的軌道上，即該電子從最穩定的、最低能量的基態躍遷到不穩定、高能量的激發態，當達到高電位能級時，光能便被色素吸收。
吸收光能后的葉綠素分子受激發并回到基態的一條重要途徑是把能量傳遞出去，最終傳給反應中心葉綠素a，使之用于光合作用的光反應。這種能量的傳遞效率很高，類胡蘿卜素所吸收的光能傳給葉綠素a的效率高達90%，葉綠素b所吸收的光能傳給葉綠素a的效率接近100%，藻紅素和藻藍素吸收的光能傳給葉綠素a的效率分別為70%~80%和80%~90%。
在植物體內，光合反應中心至少包括光能轉換的葉綠素a分子、原初電子受體和原初電子供體，才能導致電荷分離，將光能轉換為電能，并且積累起來。反應中心的原初電子受體是指直接接受反應中心葉綠素a分子傳來電子的物體，而反應中心的原初電子供體是指直接供給反應中心葉綠素分子電子的物體。光合作用的原初反應是連續不斷地進行的，必須不斷地經過一系列電子傳遞體的傳遞，從最初電子供體到最終電子受體，把得到的電子交出來，構成電子的“源”和“流”。維管植物的最初電子供體是H2O，最終電子受體為NADP+。
合成與降解
生物合成
葉綠素的生物合成是很復雜的。簡單來講，它可以分為4個階段。第1階段是從谷氨酸開始，經過5-氨基戊酸（ALA），2分子ALA合成含吡咯環的膽色素原（PBG）。第2階段是4個PBG分子聚合成原卟啉Ⅸ（protoporphyrinⅨ）。原卟啉Ⅸ是形成葉綠素和亞鐵血紅素的分水嶺。如果與鐵結合，就生成亞鐵血紅素；如果導入鎂原子，則形成Mg-原卟啉。后者E環環化，D環還原，就形成單乙烯基原葉綠素酯a。在光照下和NADPH存在下，原葉綠素酯氧化還原酶催化后者化合物就進入第3階段，形成葉綠素酯a（這是葉綠素生物合成最關鍵的需光過程）。第4階段是植醇尾巴與D環的丙酸酯化，就形成葉綠素a。葉綠素b是由葉綠素a演變過來的。
生物降解
葉片衰老時，葉綠素在有關酶的作用下，結構會逐漸裂解。其過程主要如下：類囊體內的葉綠素b在葉綠素b還原酶作用下生成葉綠素a；葉綠素a運輸到葉綠體并在葉綠素酶作用下脫去植基生成脫植基葉綠素a，再經脫鎂整合酶作用生成脫鎂葉綠素a；雖除去鎂離子，但仍保留卟啉大環，故仍顯綠色。脫鎂葉綠素a在脫鎂葉綠酸a氧化酶作用下卟啉環裂解，最終成為水溶性的無色產物，由葉綠體運到附近的液泡。深秋時許多樹種葉片呈美麗的紅色，就是因為這時葉綠素降解速度大于合成速度，含量下降，原來被葉綠素所掩蓋的類胡蘿卜素、花色素的顏色顯示出來的緣故。葉綠素含N，Mg，類胡蘿卜素不含N，Mg。在植物衰老和儲藏過程中，酶能引起葉綠素的分解破壞。這種酶促變化可分為直接作用和間接作用兩類。
穩定性影響因素
光
在活體綠色植物中，葉綠素得到了很好的保護，既可以發揮光合作用，又不會發生光分解。但離體葉綠素對光照很敏感，光和氧氣作用可導致葉綠素不可逆的分解。離體的葉綠素在光的作用下變為三線態，通過電子傳遞，產生自由基等活性氧而破壞蛋白質、糖類及 脫氧核糖核酸 等生物分子的結構，引起葉綠素分子的降解。
葉綠素酶
葉綠素酶是葉綠素降解過程中的關鍵酶，是一種糖蛋白。葉綠素酶是以葉綠素作為底物，催化葉綠素結構中的植醇鍵而水解生成脫植葉綠素。葉綠素酶的最適溫度為60-82℃，實驗證明，葉綠素酶在80℃以上其活性下降，100℃時已完全失活。
溫度
溫度主要影響葉綠素降解過程中酶的活性進而影響葉綠素的降解過程。在溫度很低時，葉綠素的成分變化非常慢。隨著溫度的升高，葉綠素分解的速率加快，當溫度超過70℃時，其穩定性急速下降。
pH值
pH值是影響葉綠素穩定性的一個重要因子，葉綠素在中性和弱酸弱堿性條件下較穩定，相關研究表明：pH值在6～11之間葉綠素的保存率高達90%。酸性過強會導致葉綠素脫鎂而褪色明顯，堿性過強則會加速脫酯反應使葉綠素分解，但堿性條件下葉綠素不會發生脫鎂或碳環裂解反應，能保持相對穩定的色澤。
氧氣
氧氣在葉綠素的降解中占有重要地位，活性氧可使葉綠素四吡咯環碳環雙鍵裂解，導致卟啉大環裂解。另一方面，氧氣也會通過影響酶的活性來影響葉綠素的降解。葉綠素降解速率與氧氣濃度呈正相關，氧氣濃度越大，葉綠素褪色越嚴重。
金屬離子
在酸性條件下，葉綠素分子卟啉環中的鎂離子可被氫離子取代，生成黃褐色的脫鎂葉綠素，脫鎂葉綠素分子中的氫離子又可被其他金屬離子如銅、鋅、鈣離子取代，而生成相應的葉綠素金屬離子絡合物而恢復為綠色。實驗表明，這種絡合物對酸、光、氧、熱等穩定性大大提高了，這些離子均能使葉綠素保存率提高，使葉綠素能夠較長時間的保存，而且銅離子的效果優于鋅離子。盡管葉綠素銅絡合物的色澤及其穩定性比鋅絡合物的好，但銅離子屬于重金屬離子，毒害性較大，所以應該對其含量進行嚴格控制；而鋅是人體必需的微量元素，因此，在綠色果蔬加工過程中，采用鋅離子取代葉綠素分子中的鎂離子，形成較穩定的葉綠素鋅絡合物，目前已經得到了產業化應用。
應用領域
醫藥領域
葉綠素類物質除了抗氧化、抗突變等作用外，還可以預防脫氧核糖核酸的氧化損傷作用，并通過螯合各種促氧化金屬離子而抑制脂質氧化。此外，在體外研究中，人們發現葉綠素可抑制胰臟癌細胞；在動物研究中，人們發現，給高脂膳食造成的肥胖小鼠灌喂菠菜葉綠素提取物，可以減輕內毒素血癥，降低多個炎癥反應指標。
20世紀90年代，人們也發現葉綠素及其衍生物可以抑制多種化學致癌物的致突變作用。此后又在黃曲霉毒素污染地區的人體研究中發現，應用葉綠酸或富含葉綠素的食物進行預防干預，可以降低體內黃曲霉毒素代謝物的水平，可能有利于降低黃曲霉毒素污染帶來的肝癌風險。因此，葉綠素類物質可以大幅度減少黃曲霉毒素的吸收利用率，并降低黃曲霉毒素的致癌作用。
葉綠素的健康作用不僅限于此。血紅素有催化脂質氧化的作用，因此吃得過多時會促進細胞過度增殖，產生細胞毒性。如果食用含有大量葉綠素的食物，那么葉綠素就會替代血紅素，保護人體不被過多的血紅素危害。此外，由于葉綠素可以螯合多種金屬離子，與重金屬離子的結合能力尤其很強，所以它也被用于重金屬污染的清除。
總體來說，葉綠素具有抗氧化、抗突變、抗炎癥、抑制癌細胞、清除重金屬污染、減輕黃曲霉毒素致癌效果等作用。口服銅葉綠酸鈉對慢性蕁麻疹、慢性濕疹、氣喘和凍瘡等疾病有一定效果。
食品領域
葉綠素中含有大量的維生素c與無機鹽，是人體生命活動中不可缺少的物質，還可以保持體液的弱堿性，有利于健康。此外，葉綠素還能輕度促進腸道蠕動，具有緩解便秘的功能。
提取與分離
提取
葉綠素的提取方法主要有以下幾種：丙酮研磨法、抽濾法、有機溶劑浸泡法、超聲波提取、微波輔助提取和吸附樹脂萃取法等。有機溶劑萃取法是最常用的方法。主要是利用高濃度有機溶劑將葉綠素從植物中溶出，然后通過分離和純化步驟，最終獲得葉綠素。超聲波法是利用磁場強化介入，使細胞壁破碎，再用溶劑提取葉綠素a。微波法通過升溫汽化胞內液體，使細胞膨脹破裂，使葉綠素自由流出，因此萃取率較高。
分離
色譜法是一種很好的分離純化、鑒定有機化合物的重要方法，尤其是在微量分析中應用的更是廣泛。果蔬中色素主要包括脂溶性的胡蘿卜素、葉黃素、葉綠素和水溶性的花青素。在提取實驗時，可以利用相似相溶的原理把水溶性的花青素濾掉，繼而可以利用薄層色譜、柱色譜、高效液相色譜對胡蘿卜素、葉黃素和葉綠素進行分離，由于這三種色素的極性依次減弱，可以適當地選擇單一的有機溶劑或者不同配比的混合溶劑作為展開劑和洗脫劑，確定最佳的優化分離條件。
測定方法
葉綠素含量的測定方法主要有紫外分光光度法、熒光分析法、活體葉綠素儀法、光聲光譜法和高效液相色譜法。不過應用最為廣泛的還是分光光度法。高效液相色譜（HPLC）定量檢測葉綠素含量準確率較高，效果很好。
參考資料 >
Pierre-Joseph Pelletier.Britannica.2023-08-08
葉綠素的類別概述.安徽師范大學生物教育研究中心.2023-10-19
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美味健康的葉綠素.湖南省市場監督管理局.2023-11-03
1915年諾貝爾化學獎.諾貝爾獎官網.2023-08-16
并蒂蓮蓬被摘“夭折”，科學技術卻令其“永生”.今日頭條.2023-08-04