כלורופיל: מולקולת החיים

הכלורופיל הוא קבוצה של צבענים ירוקים בעלי מבנה כימי דומה שנפוצים בצמחים, אצות וחיידקים כחוליים (ציאנובקטריות), בים וביבשה. הצבענים האלה ממלאים תפקיד חיוני בתהליך הפוטוסינתזה, שמנצל את אנרגיית האור להפקת סוכר ממים ומפחמן דו-חמצני, ופולט תוך כדי כך חמצן, שחיוני לחיים בכדור הארץ.

השם כלורופיל נגזר מהמילים היווניות כלורוס (ירוק) ופילון (עלה). הוא בודד לראשונה בשנת 1817 בידי הכימאים הצרפתים ז'וסף ביינמה קאוונטו ופייר ז'וסף פלטייה. אולם רק במאה ה-20, יותר ממאה שנה לאחר מכן, גילו חוקרים שלמעשה קיימים כמה סוגים של כלורופיל ופענחו את המבנים שלהם. כיום מוכרים למדע שישה סוגים נפרדים של מולקולות כלורופיל, שמסומנים באות לטינית קטנה. האחרון בהם, כלורופיל f, התגלה רק בשנת 2010.

המבנה הבסיסי של הכלורופיל הוא טבעת פורפירין (Porphyrin) שבמרכזה אטום מגנזיום. המבנה הזה דומה מאוד למבנה של מולקולת ההם (Heme) שמצויה בהמוגלובין שבתאי הדם האדומים שלנו ובמרכזה נמצא אטום ברזל. סוגי הכלורופיל השונים נבדלים זה מזה בקבוצות הכימיות שמחוברות לטבעת הפורפירין.

מבנה הכלורופיל מאפשר לו לבלוע אור באורכי גל שמיתרגמים לצבעים כחול ואדום. לעומת זאת, את האור הירוק (600-500 ננומטר) הוא מחזיר לעינינו, ולכן צמחים ואצות נראים לנו ירוקים. סוגים שונים של כלורופיל בולעים אור באורכי גל מעט שונים, דבר שמשפיע על הקליטה והניצול של אנרגיית האור בצמח.

בסביבה ימית הכלורופיל משפיע על בליעת האור והחזרתו על-ידי המים. מקורו בים הוא באצות חד-תאיות (פיטופלנקטון) ובחיידקים כחוליים. צילומי לוויין מהחלל מאפשרים כיום לחוקרים למפות אזורים עשירים ביצורים האלה ולעקוב אחרי שינויים שחלים בהם, למשל בעקבות עלייה בטמפרטורת האוקיינוסים.

המבנה הטבעתי מזכיר את מולקולת ההמוגלובין. מולקולת כלורופיל | איור: Science Photo Library

מאנרגיית אור לאנרגיה כימית

מולקולות הכלורופיל מאורגנות בתוך ומערכות ייעודיות שאחראיות על ביצוע פוטוסינתזה ומסביבן. בצמחים ובאצות המערכות האלה מצויות בתוך אברונים תאיים בשם כלורופלסטים. לחיידקים כחוליים, בדומה לכל שאר החיידקים, אין אברונים תוך תאיים והמערכות הללו מצויות על המעטפת החיצונית של התא.

מרבית מולקולות הכלורופיל במערכות האלה אחראיות על קליטת אנרגיית האור והעברתה לקומפלקסים שבהם היא מומרת לאנרגיה כימית. הקומפלקסים האלה, שנמצאים בלב המערכת הפוטוסינתטית, נקראים "מרכזי תגובה" ומכילים גם הם מולקולות כלורופיל. כשאנרגיית האור מגיעה למולקולת הכלורופיל בקומפלקס היא מעוררת אחד מהאלקטרונים של הכלורופיל וגורמת לו לעבור בין המולקולות. האנרגיה הכימית שנוצרת בתהליך הזה של הפרדת המטען מנוצלת בהמשך הדרך להפקת סוכר מפחמן דו-חמצני. במקביל, כדי להשלים את האלקטרון החסר בכלורופיל, מולקולות מים עוברות תהליך חמצון וכך מתקבל חמצן.

כלורופיל a הוא סוג הכלורופיל העיקרי שנמצא במרכזי התגובה, והוא משותף למרבית היצורים שמבצעים פוטוסינתזה. שאר סוגי הכלורופיל יכולים להשתנות מיצור ליצור. עם זאת, קיימים גם חיידקים שמכילים בקטריוכלורופיל – קבוצה של פיגמנטים בעלי מבנה דומה לכלורופיל, שבולעים אור באורכי גל אחרים. הם מצויים אצל חיידקים שמבצעים פוטוסינתזה לא-חמצנית, כלומר אינם פולטים חמצן במהלך הפקת האנרגיה, אלא מולקולה אחרת – למשל גופרית.

הכלורופיל יכול להופיע גם בפירות, שאינם מבצעים פוטוסינתזה. הוא אחראי למשל לצבעם הירוק של הזיתים ושל השמן המופק מהם. בתעשיית המזון מרבים להשתמש בו כחומר צבע ירוק, והוא מסומן כ-E140. בדומה לצבענים רבים שמקורם בטבע הכלורופיל השתלב גם תעשיית הקוסמטיקה, כך שאפשר למצוא אותו במוצרים לשיער ולפנים.

מאתיים שנה לאחר שבודד לראשונה, הכלורופיל ממשיך להעסיק את עולם המדע. חוקרים ממשיכים לחפש חברים חדשים ונדירים במשפחה, מנסים להבין לעומק את מנגנון הפעולה שלו ואף לחקותו, ועוקבים בדריכות אחר שינויים אקלימיים והשפעתם על הפוטוסינתזה – התהליך החיוני שמספק לנו מזון וחמצן.