คลอโรฟิลไลด์ สารตั้งต้นสำคัญในการสังเคราะห์คลอโรฟิลล์

คลอโรฟิลไลด์ (Chlorophyllide) คือสารประกอบทางเคมีที่เป็นสารตั้งต้นในกระบวนการชีวสังเคราะห์ของคลอโรฟิลล์ เอ (Chlorophyll a) และคลอโรฟิลล์ บี (Chlorophyll b) โดยในขั้นตอนสุดท้ายของวิถีการสังเคราะห์ เอนไซม์ chlorophyll synthase จะเปลี่ยนกลุ่มกรดโพรพิโอนิก (propionic acid groups) ของคลอโรฟิลไลด์ให้กลายเป็นเอสเทอร์ของไฟไทล (phytyl esters) เพื่อให้ได้คลอโรฟิลล์ที่สมบูรณ์

การศึกษาคลอโรฟิลไลด์มีความสำคัญอย่างยิ่งในการทำความเข้าใจกลไกการสร้างรงควัตถุในพืช สาหร่าย และไซยาโนแบคทีเรีย นอกจากนี้ คลอโรฟิลไลด์ เอ ยังเป็นสารมัธยันตร์ (intermediate) ในการสังเคราะห์แบคทีริโอคลอโรฟิลล์ (bacteriochlorophylls) อีกด้วย

โครงสร้างทางเคมี

คลอโรฟิลไลด์แบ่งออกเป็นสองประเภทหลักตามโครงสร้างทางเคมี ดังนี้:

• คลอโรฟิลไลด์ เอ (Chlorophyllide a): เป็นกรดคาร์บอกซิลิก (carboxylic acid) โดยมีหมู่ R เป็นไฮโดรเจน (H)
• คลอโรฟิลไลด์ บี (Chlorophyllide b): มีการแทนที่หมู่เมทิล (methyl group) ที่ตำแหน่ง 13 ด้วยหมู่ฟอร์มิล (formyl group)

ขั้นตอนการชีวสังเคราะห์จนถึงโปรโตพอร์ไฟริน IX

กระบวนการสังเคราะห์เริ่มต้นจากกรดกลูตามิก (glutamic acid) โดยเอนไซม์ deaminase และ cosynthetase จะเปลี่ยนกรดอะมิโนเลวูลินิก (aminolevulinic acid) ผ่านพอร์โฟบิลินโนเจน (porphobilinogen) และไฮดรอกซีเมทิลบิลเลน (hydroxymethylbilane) ไปเป็น ยูโรพอร์ไฟรินโนเจน III (uroporphyrinogen III)

ยูโรพอร์ไฟรินโนเจน III เป็นสารมัธยันตร์วงแหวนขนาดใหญ่ตัวแรกที่ใช้ร่วมกันในการสร้างฮีม (haem), ไซโรฮีม (sirohaem), โคแฟกเตอร์ F430, โคบาลามิน (cobalamin) และคลอโรฟิลล์ จากนั้นจะเปลี่ยนเป็นโคโปรพอร์ไฟรินโนเจน III และโปรโตพอร์ไฟรินโนเจน IX ซึ่งจะถูกออกซิไดซ์จนกลายเป็น โปรโตพอร์ไฟริน IX (protoporphyrin IX) ที่มีโครงสร้างอะโรมาติกสมบูรณ์

ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม เหล็กจะถูกแทรกเข้าไปในโปรโตพอร์ไฟริน IX เพื่อสร้างฮีมสำหรับขนส่งออกซิเจนในเลือด แต่ในพืช แมกนีเซียมจะถูกนำมาใช้แทนเพื่อนำไปสู่การสร้างคลอโรฟิลล์สำหรับการสังเคราะห์แสง

การสังเคราะห์คลอโรฟิลไลด์จากโปรโตพอร์ไฟริน IX

แม้ว่ายีนและเอนไซม์ในพืช (เช่น Arabidopsis thaliana) และแบคทีเรียจะมีความแตกต่างกัน แต่ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นนั้นเหมือนกัน โดยมีขั้นตอนสำคัญดังนี้:

1. การแทรกแมกนีเซียม (Insertion of Magnesium)

ลักษณะเด่นของคลอโรฟิลล์คือการมีไอออนของแมกนีเซียมประสานอยู่ในลิแกนด์ที่เรียกว่า คลอริน (chlorin) โดยเอนไซม์ magnesium chelatase จะทำหน้าที่แทรกแมกนีเซียมลงในโปรโตพอร์ไฟริน IX

2. การสร้างเอสเทอร์ของหมู่โพรพิโอเนต (Esterification)

ขั้นตอนถัดไปคือการสร้างเมทิลเอสเทอร์ (methyl ester) บนหนึ่งในหมู่โพรพิโอเนต ซึ่งเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ magnesium protoporphyrin IX methyltransferase

3. การเปลี่ยนพอร์ไฟรินเป็นคลอริน (From Porphyrin to Chlorin)

วงแหวนคลอรินจะมีวงแหวนคาร์บอน 5 เหลี่ยม (วงแหวน E) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อหมู่โพรพิโอเนตของพอร์ไฟรินเกิดการปิดวง (cyclised) เข้ากับอะตอมคาร์บอนที่เชื่อมต่อระหว่างวงแหวนไพร์โรล C และ D โดยเอนไซม์ Magnesium-protoporphyrin IX monomethyl ester (oxidative) cyclase จะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยานี้

4. ขั้นตอนการรีดักชันสู่คลอโรฟิลไลด์ เอ

เพื่อให้ได้คลอโรฟิลไลด์ เอ จะต้องผ่านปฏิกิริยารีดักชันสองขั้นตอน: หนึ่งคือการเปลี่ยนหมู่ไวนิล (vinyl group) ให้เป็นหมู่เอทิล (ethyl group) และสองคือการเติมไฮโดรเจนสองอะตอมลงในวงแหวนไพร์โรล D โดยเอนไซม์ divinyl chlorophyllide a 8-vinyl-reductase จะเปลี่ยน 3,8-divinylprotochlorophyllide ให้เป็นโปรโตคลอโรฟิลไลด์ (protochlorophyllide)