叶绿素a(左)和叶绿素b(右)的结构
空间模型填充的叶绿素分子,像不像小仙女的魔法棒?
上一篇中我们提到,虽然树叶在秋天会变成黄色和红色,可是在夏天,光照非常充足,气温也高,它们都是绿油油的,这是由于叶子含有的各种色素中,叶绿素占最大比例的缘故。不光是大树,各种植物之所以呈现绿色,也都是因为含有叶绿素。
不过生活中有时还有这样一种现象,不知大家发现没有:在我们做菜或是煮汤时,不论是菠菜还是四季豆等,只要是绿色的蔬菜,放在锅里煮的时间长一点,叶子的颜色都会由鲜艳碧绿的颜色变得黄不拉几的,让人看了很没食欲。还有热剩菜的时候也是,热的时间长一点或者次数多一点,原本碧绿的颜色就会变成黄绿,让人下不去筷子。叶绿素究竟发生了什么,颜色怎么会变得这么快呢?
这就要从叶绿素的类型和分子结构说起了。叶绿素一共有六种不同的分子,科学家们分别给它们取名为叶绿素a、b、c1、c2、d和f。其中叶绿素a和b最常见,我们平时见到的陆生植物中都含有这两种叶绿素。而其他叶绿素比较少见,存在于某些藻类体内。
从图上我们看到,叶绿素a和叶绿素b只在上方有一点结构的不同——叶绿素b比叶绿素a多了一个羰基。这导致了二者性质上的区别:相比于叶绿素a,叶绿素b更易溶于极性溶剂,且颜色上叶绿素a为蓝绿色,叶绿素b为黄绿色。
一般原子的最外层电子以8个位为最稳定结构。对大部分最外层电子不足8的原子来说,它们会拿出自己的几个最外层电子与其他原子共用,从而让两个原子都达到8电子稳定结构。这样形成的化学键叫作共价键,这样它们整体的电性也是平衡的。所以共价键的本质就是共用电子对。可是形成共价键的两个原子很多时候对电子的吸引力是不同的,共用电子对就会有所偏向,使两个原子间带有极其微弱的电荷。这种性质叫作分子的极性。具有极性的分子就像磁铁有南北极一样,会对附近其他有极性的分子产生作用力。分子的极性越强,这种力就越强。分子的极性越弱,甚至没有极性的话,这种力也就很小,甚至趋近于0。虽然单个极性分子的作用力微不足道,可是在很多时候它可以改变许多宏观性质,如熔沸点、反应中生成的主要产物等。
化学中经常会发现一种现象——相似相溶现象,也有人把它叫作“相似相溶原理”。也就是说,两个在结构或极性上相似的分子更容易混溶。比如,无机盐的氯化钠易溶于无机物的水;有机物中极性的丙酮和乙醇可以和极性的水混溶,但有机物中非极性的大分子脂肪酸不溶于极性的水。这只是一种经验现象,反例很多。
目前科学界对相似相溶现象的成因仍有争论,有人用范德华力解释,认为极性分子像磁铁的正负极一样,互相之间有更强的作用力,而非极性的分子这种力很小,只能与同样非极性的分子混溶。但是这种理论还有很大的漏洞。也有人从热力学和表面化学的角度解释,但是现在还没有一种统一的理论。
羰基是极性基团,羰基的加入使叶绿素整个分子的极性都有所提高,所以叶绿素b才更容易溶于极性溶剂。另外,叶绿素a和b喜欢吸收蓝紫光和红光,却不喜欢吸收绿色光,所以它们才显示出绿色。
另外我们可以发现,所有类型的叶绿素虽然构造上稍有不同,但在“魔法棒”的中心,都有一个“宝石”——镁离子。在镁离子的两侧,有两个带负电荷的氮原子通过静电力的作用,抓着镁离子,使它不会轻易掉出去。可是镁离子是相当活泼的, 在受到酸、加热、光照、氧化等作用时,镁离子就会从叶绿素“魔 法棒”的中心跑出来。 这时叶绿素失去了最核心的“宝石”镁离子,成了去镁叶绿素,自然也黯淡无光,成了褐色。
这时如果你正在煮饭,褐色的去镁叶绿素加上残留的正常叶绿素,还有原本含有的叶黄素和胡萝卜素,显出的颜色就是难看的黄绿色了。
了解了叶绿素脱镁的反应之后,人们为了防止脱镁想出了各种办法。在食品工业中为了保持蔬菜鲜艳的色泽,人们会在蔬菜加工前用石灰水和氢氧化镁处理,这样叶绿素中的镁就更难跑出来了。
叶绿素容易脱镁也不总是坏事,也有人故意用铜、钠、钾等离子去置换叶绿素中的镁,来达到各种目的。在浸泡植物标本的时候,为了使植物标本保持原有的色泽,人们还会想办法用铜离子去置换叶绿素中的镁,生成叶绿素铜。叶绿素铜具有和叶绿素相似的颜色,但是比叶绿素更稳定。这样一来,植物标本就能一直保持碧绿的颜色了。而叶绿素的另一种衍生物叶绿素铜钠不仅性质稳定、具有墨绿的颜色,可以作为染色剂,还具有促进胃肠溃疡面愈合的药用价值。
直至今日,科学家对叶绿素的研究还未停止。我们希望通过对叶绿素和其他生物成分的研究,可以让我们知晓更多新奇有趣的东西,同时也了解这个世界运行的奥秘。