葉綠素知識與葉綠素?zé)晒鉁y定的原理（上）

1983年，WALZ公司首席科學(xué)家，德國烏茲堡大學(xué)教授Ulrich Schreiber博士利用調(diào)制技術(shù)和飽和脈沖技術(shù)，設(shè)計制造了全世界第一臺脈沖振幅(Pulse-Amplitude-Modulation，PAM)熒光儀——PAM-101/102/103。
所謂調(diào)制技術(shù)，就是說用于激發(fā)熒光的測量光具有一定的調(diào)制(開/關(guān))頻率，檢測器只記錄與測量光同頻的熒光，因此調(diào)制熒光儀允許測量所有生理狀態(tài)下的熒光，包括背景光很強(qiáng)時。正是由于調(diào)制技術(shù)的出現(xiàn)，才使得葉綠素?zé)晒庥蓚鹘y(tǒng)的“黑匣子”(避免環(huán)境光)測量走向了野外環(huán)境光下測量，由生理學(xué)走向了生態(tài)學(xué)。
經(jīng)過充分暗適應(yīng)后，所有電子門均處于開放態(tài)，打開測量光得到Fo，此時給出一個飽和脈沖，所有的電子門就都將該用于光合作用的能量轉(zhuǎn)化為了熒光和熱，此時得到的葉綠素?zé)晒鉃镕m。根據(jù)Fm和Fo可以計算出PS II的最大量子產(chǎn)量Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，它反映了植物的潛在最大光合能力。
所謂飽和脈沖技術(shù)，就是打開一個持續(xù)時間很短(一般小于1 s)的強(qiáng)光關(guān)閉所有的電子門(光合作用被暫時抑制)，從而使葉綠素?zé)晒膺_(dá)到最大。飽和脈沖(Saturation Pulse, SP)可被看作是光化光的一個特例。光化光越強(qiáng)，PS II釋放的電子越多，PQ處累積的電子越多，也就是說關(guān)閉態(tài)的電子門越多，F(xiàn)越高。當(dāng)光化光達(dá)到使所有的電子門都關(guān)閉(不能進(jìn)行光合作用)的強(qiáng)度時，就稱之為飽和脈沖。
　　打開飽和脈沖時，本來處于開放態(tài)的電子門將該用于光合作用的能量轉(zhuǎn)化為了葉綠素?zé)晒夂蜔�，F(xiàn)達(dá)到最大值。
　　在光照下光合作用進(jìn)行時，只有部分電子門處于開放態(tài)。如果給出一個飽和脈沖，本來處于開放態(tài)的電子門將該用于光合作用的能量轉(zhuǎn)化為了葉綠素?zé)晒夂蜔幔�此時得到的葉綠素?zé)晒鉃镕m’。根據(jù)Fm’和F可以求出在當(dāng)前的光照狀態(tài)下PS II的實際量子產(chǎn)量Yield=ΦPSII=ΔF/Fm’=(Fm’-F)/Fm’，它反映了植物目前的實際光合效率。
　　光照狀態(tài)下打開飽和脈沖時，電子門被完全關(guān)閉，光合作用被暫時抑制，也就是說光化學(xué)淬滅被全部抑制，但此時熒光值還是比Fm低，也就是說還存在熒光淬滅，這些剩余的熒光淬滅即為非光化學(xué)淬滅。淬滅系數(shù)的計算公式為：qP=(Fm’-Fs)/Fv’=1-(Fs-Fo’)/(Fm’-Fo’);qN=(Fv-Fv’)/Fv=1-(Fm’-Fo’)/(Fm-Fo);NPQ=(Fm-Fm’)/Fm’=Fm/Fm’-1。
　　在光照下光合作用進(jìn)行時，只有部分電子門處于關(guān)閉態(tài)，實時熒光F比Fm要低，也就是說發(fā)生了熒光淬滅(quenching)。植物吸收的光能只有3條去路：光合作用、葉綠素?zé)晒夂蜔帷８鶕?jù)能量守恒：1=光合作用+葉綠素?zé)晒?熱。可以得出：葉綠素?zé)晒?1-光合作用-熱。也就是說，葉綠素?zé)晒?葉綠素?zé)晒鉁y定儀)產(chǎn)量的下降(淬滅)有可能是由光合作用的增加或熱耗散的增加引起的。由光合作用的引起的熒光淬滅稱之為光化學(xué)淬滅(photochemical quenching, qP);由熱耗散引起的熒光淬滅稱之為非光化學(xué)淬滅(non-photochemical quenching, qN或NPQ)。光化學(xué)淬滅反映了植物光合活性的高低;非光化學(xué)淬滅反映了植物耗散過剩光能為熱的能力，也就是光保護(hù)能力。
　　根據(jù)PS II的實際量子產(chǎn)量ΔF/Fm’和光合有效輻射(Photosynthetically Active Radiation, PAR)還可計算出光合電子傳遞的相對速率rETR=ΔF/Fm’·PAR·0.84·0.5。其中0.84是植物的經(jīng)驗性吸光系數(shù)，0.5是假設(shè)植物吸收的光能被兩個光系統(tǒng)均分。
　　當(dāng)F達(dá)到穩(wěn)態(tài)后關(guān)閉光化光，同時打開遠(yuǎn)紅光(Far-red Light, FL)(約持續(xù)3-5 s)，促進(jìn)PS I迅速吸收累積在電子門處的電子，使電子門在很短的時間內(nèi)回到開放態(tài)，F(xiàn)回到最小熒光Fo附近，此時得到的熒光為Fo’。由于在野外測量Fo’不方便，因此野外版的調(diào)制熒光儀(除PAM-2100和WATER-PAM)外，多數(shù)不配置遠(yuǎn)紅光。此時可以直接利用Fo代替Fo’來計算qP和qN，盡管得到的參數(shù)值有輕微差異，但qP和qN的變化趨勢與利用Fo’計算時是一致的。由于NPQ的計算不需Fo’，近10幾年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
　　2常用型號
　　葉綠素- 分類
　　葉綠素分為葉綠素a、葉綠素b、葉綠素c、葉綠素d、原葉綠素和細(xì)菌葉綠素等。
　　葉綠素名稱存在場所最大吸收光帶
　　葉綠素a所有綠色植物中紅光和藍(lán)紫光
　　葉綠素b高等植物、綠藻、眼蟲藻、管藻紅光和藍(lán)紫光
　　葉綠素c硅藻、甲藻、褐藻紅光和藍(lán)紫光
　　葉綠素d紅藻紅光和藍(lán)紫光
　　原葉綠素黃化植物(幼苗期)近于紅光和藍(lán)紫光
　　細(xì)菌葉綠素紫色細(xì)菌紅光和藍(lán)紫光
　　19世紀(jì)初，俄國化學(xué)家、色層分析法創(chuàng)始人M.C.茨韋特用吸附色層分析法證明高等植物葉子中的葉綠素有兩種成分。德國H.菲舍爾等經(jīng)過多年的努力，弄清了葉綠素的復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)。1960年美國R.B.伍德沃德領(lǐng)導(dǎo)的實驗室合成了葉綠素a。至此,葉綠素的分子結(jié)構(gòu)得到定論。(手持式葉綠素測定儀)
　　葉綠素分子是由兩部分組成的：核心部分是一個卟啉環(huán)(porphyrin ring)，其功能是光吸收;另一部分是一個很長的脂肪烴側(cè)鏈，稱為葉綠醇(phytol)，葉綠素用這種側(cè)鏈插入到類囊體膜。與含鐵的血紅素基團(tuán)不同的是，葉綠素卟啉環(huán)中含有一個鎂原子。葉綠素分子通過卟啉環(huán)中單鍵和雙鍵的改變來吸收可見光。各種葉綠素之間的結(jié)構(gòu)差別很小。如葉綠素a和b僅在吡咯環(huán)Ⅱ上的附加基團(tuán)上有差異：前者是甲基，后者是甲醛基。細(xì)菌葉綠素和葉綠素a不同處也只在于卟啉環(huán)Ⅰ上的乙烯基換成酮基和環(huán)Ⅱ上的一對雙鍵被氫化。
　　葉綠素 - 化學(xué)性質(zhì)
　　高等植物葉綠體中的葉綠素主要有葉綠素a 和葉綠素b 兩種。它們不溶于水，而溶于有機(jī)溶劑，如乙醇、丙酮、乙醚、氯仿等。葉綠素a分子式：C55H72O5N4Mg;葉綠素b分子式：C55H70O6N4Mg。在顏色上，葉綠素a 呈藍(lán)綠色，而葉綠素b 呈黃綠色。按化學(xué)性質(zhì)來說，葉綠素是葉綠酸的酯，能發(fā)生皂化反應(yīng)。葉綠酸是雙羧酸，其中一個羧基被甲醇所酯化，另一個被葉醇所酯化。
　　葉綠素分子含有一個卟啉環(huán)的“頭部”和一個葉綠醇的“尾巴”。鎂原子居于卟啉環(huán)的中央，偏向于帶正電荷，與其相聯(lián)的氮原子則偏向于帶負(fù)電荷，因而卟啉具有極性，是親水的，可以與蛋白質(zhì)結(jié)合。葉醇是由四個異戊二烯單位組成的雙萜，是一個親脂的脂肪鏈，它決定了葉綠素的脂溶性。葉綠素不參與氫的傳遞或氫的氧化還原，而僅以電子傳遞(即電子得失引起的氧化還原)及共軛傳遞(直接能量傳遞)的方式參與能量的傳遞。
　　卟啉環(huán)中的鎂原子可被氫離子、銅離子、鋅離子所置換。用酸處理葉片，氫離子易進(jìn)入葉綠體，置換鎂原子形成去鎂葉綠素，使葉片呈褐色。去鎂葉綠素易再與銅離子結(jié)合，形成銅代葉綠素，顏色比原來更穩(wěn)定。人們常根據(jù)這一原理用醋酸銅處理來保存綠色植物標(biāo)本。 葉綠醇是親脂的脂肪族鏈，由于它的存在而決定了葉綠素分子的脂溶性，使之溶于丙酮、酒精、乙醚等有機(jī)溶劑中。由于在結(jié)構(gòu)上的差別，葉綠素a呈藍(lán)綠色，b呈黃綠色。在光下易被氧化而退色。葉綠素是雙羧酸的酯，與堿發(fā)生皂化反應(yīng)。
　　葉綠素不很穩(wěn)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(huán)中的鎂成為去鎂葉綠素。葉綠素溶液能進(jìn)行部分類似光合作用的反應(yīng)，在光下使某些化合物氧化或還原。人工制備的葉綠素膜在光下能產(chǎn)生光電位和光電流，也能催化某些氧化還原反應(yīng)。
　　葉綠素 - 光和作用
　　光合作用是指綠色植物通過葉綠體，利用光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成儲存著能量的有機(jī)物，并且釋放出氧的過程。光合作用的第一步是光能被葉綠素吸收并將葉綠素離子化。產(chǎn)生的化學(xué)能被暫時儲存在三磷酸腺苷(ATP)中，并最終將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳水化合物和氧氣。