クロロフィル

クロロフィル：光合成を支える緑の分子

クロロフィル（Chlorophyll、葉緑素）は、植物や藻類、シアノバクテリアなどの光合成生物が光エネルギーを吸収するために不可欠な色素です。光合成の明反応において、光エネルギーを効率よく吸収し、化学エネルギーへの変換を担う重要な役割を果たしています。

クロロフィルの構造と種類

クロロフィルの基本構造は、4つのピロール環が環状に結合したテトラピロールに、長鎖アルコールであるフィトールがエステル結合したものです。このテトラピロール環の中心にマグネシウムイオンが配位しているのが一般的ですが、亜鉛イオンが配位したものも存在します。マグネシウムが脱離したものはフェオフィチンと呼ばれます。また、環構造や置換基の違いによって、クロロフィルa、クロロフィルbなど、様々な種類が存在し、一つの生物が複数のクロロフィルを持つことも珍しくありません。

クロロフィルは、酸素発生型光合成を行う生物（植物、藻類、シアノバクテリア）が持つクロロフィルと、酸素非発生型光合成を行う光合成細菌が持つバクテリオクロロフィルに大別されます。さらに、テトラピロール環の不飽和状態の違いによって、ポルフィリン、クロリン、バクテリオクロリンの3種類に分類されます。クロロフィルaやbはクロリン環を持ち、バクテリオクロロフィルaやbはバクテリオクロリン環を持つといった具合です。

2010年には、遠赤色光を吸収するクロロフィルfの発見も報告されています。

クロロフィルの性質と抽出

クロロフィルは、テトラピロール環部分にヒドロキシル基やカルボキシル基などの親水性の置換基、そして疎水性の長鎖アルコール部分を持ちます。水には不溶ですが、アルコールや油脂に溶解しやすく、緑色を呈する天然色素として、食品添加物としても利用されています。メタノールやエタノールなどの溶媒を用いて植物などから抽出され、クロマトグラフィーによって分離精製されます。クロマトグラフィーという語は、クロロフィルの分離に用いられた鮮やかな色から名付けられたと言われています。

クロロフィルの光の吸収と光合成

クロロフィルは、テトラピロール環に由来する特徴的な吸収スペクトルを持ちます。可視光領域において、450 nm付近と650-700 nm付近に強い吸収帯（それぞれB帯、Q帯と呼ばれる）を示し、緑色の光を反射するため緑色に見えます。吸収波長は、クロロフィルの種類、置換基、溶媒、結合タンパク質などの影響を受け、変化します。

光合成において、クロロフィルは光アンテナとして機能し、光エネルギーを効率的に吸収します。植物の光合成では、光化学系I（PSI）と光化学系II（PSII）の2つの光化学系が存在し、それぞれ異なる波長の光を利用して電子伝達を行い、最終的にNADPHとATPを生成します。PSIIではクロロフィルaが、PSIではクロロフィルaとクロロフィルbが、それぞれ光エネルギーの吸収と電子の移動に関与します。

クロロフィルの誘導体と利用

クロロフィルは、マグネシウムイオンの除去、フィトールの除去などによって、様々な誘導体が作られます。例えば、マグネシウムイオンを除去したフェオフィチン、フィトールを除去したクロロフィリド、マグネシウムイオンとフィトールを両方除去したフェオホルビドなどがあります。また、マグネシウムイオンを銅イオンに置換した銅クロロフィルは、光や酸に対する安定性が高く、食品添加物として利用されています。

クロロフィルは、ホウレンソウやパセリなどの緑黄色野菜に多く含まれ、食品添加物やサプリメントとしても利用されています。銅クロロフィルは、着色料として欧米で認可されており、日本では銅クロロフィルと銅クロロフィリンナトリウム塩が認可されています。

クロロフィルの安全性

クロロフィルは一般的に安全な物質ですが、酸性環境下やクロロフィラーゼの存在下では、光線過敏毒性を示すフェオホルビドaが生成される可能性があるため、注意が必要です。

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