光合色素提取中碳酸钙对叶绿素保护机制的微探

吴 东

(浙江省绍兴市柯桥区鉴湖中学 绍兴 312030)

在植物光合色素的提取中，为了保护叶绿素不被破坏需要加入碳酸钙(CaCO3)，不少学生会问碳酸钙到底是如何保护叶绿素的？能否替换成碳酸钠呢？要解决这个问题，我们得先来认识一下叶绿素。

1 叶绿素的基本理化性质

叶绿素是植物或藻类细胞合成的一种具有吸收、传递、转化光能作用的复杂有机分子，除了在光合作用过程中具有极为重要的生理学意义，在植物系统学上也具有极为重要的分类学意义。在叶绿素的卟啉环中央，是一个呈螯合态的Mg2+，四周是四个吡咯环，这四个吡咯环相互连接，形成了叶绿素基本的复杂共轭体系结构，它还有一条长长的尾巴(即叶绿醇)(图1)。叶绿素通常存在于植物细胞叶绿体内的类囊体膜或藻类的光合膜上，一般吸收蓝紫光和红光。

图1 叶绿素的结构

叶绿素由德国化学家韦尔斯泰特在20世纪初，采用了当时最先进的色层分离法提取并分离了叶绿素；1915年，韦尔斯泰特荣获了诺贝尔化学奖。叶绿素分为叶绿素a～f和细菌叶绿素，其中高等植物中常见的为叶绿素a和叶绿素b，其区别在吡咯环Ⅱ上的附加基团上有差异： 前者是甲基(—CH3)，后者是醛基(—CHO)。

叶绿素不很稳定，光照、过酸、过碱、氧气、氧化剂等都会使其分解。在酸性条件下，叶绿素分子卟啉环中的镁离子可被氢离子取代，生成黄褐色的脱镁叶绿素，所以在酸性条件下，叶绿素很容易被破坏。

2 碳酸钙是如何保护叶绿素分子的

要把光合色素提取出来，一个必要的操作就是粉碎植物细胞。在提取时，常通过添加一定量的石英砂或二氧化硅(SiO2)进行研磨，石英砂的颗粒比较粗大，二氧化硅则为粉末状固体。在破碎植物细胞的时候，植物细胞液泡中的大量酸性物质，如各种有机酸(如柠檬酸、苹果酸等)、氨基酸等酸性物质都被释放出来，并且与叶绿体中释放出来的叶绿素发生接触，极易导致叶绿素被破坏。要保护叶绿素，就必须“破坏”这些酸性物质，如何破坏酸性物质？用碱性物质来中和是最好的选择了，碳酸钙在这方面可以起到很好的作用：

3 可否用碳酸钠(Na2CO3)代替碳酸钙(CaCO3)

既然碳酸钙具有碱性的特征，是否可以用碳酸钠来代替碳酸钙(CaCO3)呢？碳酸钠易溶于水，虽然也可以有效地中和细胞溶胶和细胞液中的酸性物质，但是碳酸钠在水中的溶解度过大，造成光合色素提取液碱性过大，很容易造成叶绿素的破坏，而碳酸钙则不会造成过碱的现象，碳酸钙由于其具有难溶于水的特性，可以非常方便地利用过滤法除去提取液中混有的碳酸钙微粒，而碳酸钠因为易溶于水，很难用普通的方法除去。

通过分析证明，叶绿素提取中是不可以用易溶于水的碱性盐类来代替碳酸钙的，其中包括碳酸氢钠(NaHCO3)或碳酸钾(K2CO3)，虽然有的学生提出来是否可以控制碳酸钠的量来控制碱性，但是因不同植物叶片研磨液的酸度均不同，很难通过控制碱性物质的量来控制研磨后提取液的酸碱度，实际上的可行性很小。因此，在光合色素提取的实验中，最好采用碳酸钙作为叶绿素的保护剂。