1 クロロフィルと光合成
1-1クロロフィルの研究の歴史

クロロフィルは Mg を配位した環状テトラピロールの金属錯体と定義される。近年、Zn を配位した錯体も日本で発見された。現時点で知られているクロロフィルの分子種の数は 50 を超える。クロロフィルは地球上でもっとも量の多い色素であり、その現存量を正確に見積もることは困難であるが、年間の合成分解量は約 10 億トンにも達すると推定されている（Kräutler, 2008）。光合成による年間の二酸化炭素の固定量が約 1200 億トン（炭素換算）であると言われており、その生産性を支える量が地球上に存在する。「クロロフィル」という名称は、1818 年、Pelletier と Caventou が、緑葉の素となる物質を指す言葉として、ギリシャ語の chloro（緑）＋ phyllon（葉）からつくった。
物質としての発見の歴史を紐解くと、17 世紀末には Leeuwenhoek は葉肉細胞中に緑の物質があることを顕微鏡観察で見出し、また Grew は、葉をアルコールに浸すと緑色の溶液になることを知っていた。1864 年、Stokes は緑葉のクロロフィルが分光学的に 2 種類あることを発見した（現在のクロロフィル aとクロロフィル b）。1880 年、Hoppe - Seyler は、クロロフィルが Mg を含み、その基本骨格が血色素と似ていること（両者ともに環状テトラピロールであること）を示した。1915 年、Willstätter はクロロフィルの環状構造を明らかにした。
物質としての研究の進展は、分子種の発見、単離精製方法の開発と構造決定、さらには化学的な全合成へと進展してきた。近年では、色素の合成酵素（群）、それらの遺伝子、合成制御なども物質としての解析を支える重要な柱となっている。機能面では、光合成系における機能、すなわち、光吸収、励起エネルギー移動、電子移動、過剰エネルギーの散逸、などの過程について、原子レベルの構造解析、分光学的解析、理論的解析、などが行われ、知識の蓄積が大きくなってきている。また色素として、着色剤や食品添加物として使われるほかにも、光線力学療法（Photodynamic therapy；PDT）として医療面への応用も行われている。
1

1．クロロフィルと光合成

クロロフィルは単に植物がもつ色素の一種という枠を越えて、様々な方面での利用が始まっている。この本では、物質としてのクロロフィルについて、まず深く洞察を行い、次に生物内での機能、さらには応用についても考察を拡げる。

1-2分子構造と名称

クロロフィルには、様々な分子構造のものが天然に存在しており、光合成色素として機能しているものや、その合成中間体や代謝物までもが含まれる（Tamiaki et al., 2007）。ここでは、まずもっとも身近なクロロフィル a の分子構造と名称を詳しく紹介し、その後に他のクロロフィルについて述べることにする。
クロロフィルの中で一番目に単離された化合物がクロロフィル a である。その 英 語 表 記 法 は、chlorophyll a、chlorophyll a、chlorophyll a、chlorophyll - aなどがあり、a を標準（plain）／斜体（italic）／太字（bold）にしたものや、a の前にスペースの代わりにハイフンをいれたものが見られるが、とくにどれが正しいということは決められておらず、論文中での統一性が見られていれば、問題ないとされている。ただし、プレイン書体でハイフンがないものは、英文では不定冠詞“a”との区別がつかないこともあるので、避けられることが多い。
本書では、英語表記は chlorophyll a とする。あわせて日本語表記ではクロロ
フィル a（斜体の a の前にスペースを入れない）とする。また、chlorophyll aの略記は Chl a とし、文中でも大文字で始めることとする（小文字で始める。
chl a といった略記法も散見されるが、本書では C は大文字とする）
1-2-1

基本骨格と命名法

Chl a（図1 - 1右）は、2価のマグネシウムカチオンと4座の平面型配位子の2価アニオンとからなる中性錯体である。この配位子をフェオフィチンa（pheophytin a；Phe a）と呼ぶ（図1-1中）。Phe aは、含窒素芳香族5員環化合物であるピロール（図1-1左）が四つ環状に連結したポルフィリン様骨格を母核としてもっている。各ピロール環は、その窒素原子の隣の炭素原子（α炭素原子）で、メチン炭素（－CH＝）を用いて連結されている。このようなπ骨格を形成しているピロールの一つの（β－β炭素結合間の）二重結合が単結
2HN2NHαN

1-2分子構造と名称

35120

βN

ピロール

19HNOO

OCH3OR
フェオフィチン a（R＝フィチル）
フェオフォルバイドa（R＝H）

16OORN

23 N15B

8922Mg

N76N 212417172

OA

D18O

41011CE132

1213131O

OCH3クロロフィル a（R＝フィチル）
クロロフィリドa（R＝H）

図1-1 ピロール（左）とフェオフィチン類（フリーベース体：中）とクロロフィル類（マグネシウム錯体：右）の分子構造合に還元されており（クロリン骨格）、その隣りのピロール環にもう一つ5員環が縮環している。環の内側にある四つの窒素原子がマグネシウムイオンの配位座として利用されている。
クロリン環を形成している四つのピロール環は左上から時計回りに A、B、C、、それに縮環した 5 員環を E 環と呼んでいる［以前
D 環と呼ばれ（図 1-1 右）はこれらの環の名称にローマ数字の I － V を当てていたこともあるので、古い文献を見るときには注意（今でもこのように呼ぶ研究者もいる）］。A 環の窒素原子に近い炭素原子（ピロール環でいうα炭素原子）の D 環に近い方に 1 番の番号を振り当て、時計回りに炭素原子に 20 番までの位置番号を割り振っている［以前は構成ピロール環の窒素原子から遠いβ炭素原子のみに、A、B、C、D 環の順に算用数字の 1 － 8（本書での 2、3、7、8、12、13、17、18 位に対応）を当てて、各環にはさまれたメチン炭素にα、β、δ、γ（本書での 5、10、15、20 位に対応）を当てていたこともあるので注意］。内部の窒素原子にも番号が振られており、A － D 環の順に 21 － 24 番となる。Chl a では、D 環ピロールの 17 － 18 位の二重結合が還元（トランス型に水素付加）されて単結合になっており、その両者が不斉炭素原子（17 位、18 位ともに S 配置）になっている。
E 環は、13 位と 15 位に縮環しているが、その二つの炭素原子には、13 位側から 131 位、132 位の位置番号が付けられている。この環が 13 位上の置換基を2115 位に結合させて生合成されたためであり、13 位を 15 位とは呼ばないこと3

2 クロロフィルの化学
2-1

光 物 性

クロロフィルは、大環状π電子系を骨格として有しているために、その電子遷移に伴う吸収帯が可視から近赤外領域にまでわたっている。このために、太陽光を効率よく吸収することが可能となり、その光エネルギーによって励起されたクロロフィルが、光合成におけるエネルギー変換を担うことになる。ここでは、クロロフィルの基本的な光吸収を、その分子構造と関連させて述べることにする（Hoober et al., 2007；Tamiaki and Kunieda, 2010）。
クロロフィルを含むπ共役したテトラピロールであるポルフィリン化合物
は、長波長側から Q 帯と B 帯（もしくはソーレー (Soret) 帯）の二つの吸収帯を有している。クロロフィル分子はその構造の非対称性のために、Q 帯と B帯の両方がさらに二つに分裂して、長波長側から Qy、Qx、By、Bx 帯を与える。
ただし、By、Bx の帰属に関しては完全には決まっていない。この x と y は分子における遷移モーメントに対応しており、図 2-1 で示されるような分子における直交した x 軸と y 軸にほぼ平行である（Linke et al., 2010）。これらの四つの吸収帯において、さらに振動構造が見られ、各吸収帯に（0,0）、（0,1）、（0,2）…を付けて区別している。
（0,0）吸収帯がもっとも長波長側で、より高い振動R

3Rx軸

7R8NNMgNONOOOR

y軸

OCH3

図2-1 クロロフィルの分子構造と遷移モーメント31

2．クロロフィルの化学構造準位に励起される吸収帯ほど短波長側にシフトしていくことになる。すな
わち、（0,0）、（0,1）
、（0,2）…の順で短波長側に吸収帯が移動することになる。
なお第 2 章、第 4 章、第 5 章においては、分子軸については x 軸、y 軸と小文字で表記する。遷移モーメント（x,y）については立体の小文字を使うが、とくに下付にはしない。また、吸収帯（Q 帯、B 帯）は立体で表記する。振動構造については立体の小文字を使うこととする。したがって、Qy(0,1) 遷移、Qx 帯などと表記される。必ずしも用例が多いわけではないが、この表現は微量成分（Chl a′や Phe a など）にも適用される。これらの表現は、最近、クロロフィルを研究する有機化学者、生物学者の間でもっとも一般的に使われているが、厳密な命名規定があるわけではない。
クロロフィル分子は様々な官能基を有するために、その実際の光吸収スペクトルは複雑であるが、簡単のために、まず孤立分子（単量体）における吸収帯について以下に述べることにする。
2 -1 - 1π 骨 格

クロリン骨格を有する Chl a を極性有機溶媒に溶かすと、その溶媒によく分散して単量体として存在するようになる。このような溶液は、大きな Qy 帯とソーレー帯を可視部に与え、その吸収帯の間に小さな Qx 帯を与えることになる（図 2-2 b）。この大きな Qy(0,0) 帯の短波長側には、小さな Qy(0,1) 帯が観測される。バクテリオクロリン骨格を有する BChl a も、極性有機溶媒中で単量体になり、類似の吸収帯を与える（図 2-2 c）。その違いは、Qx 帯が比較的大きくなることと、Qy 帯が長波長側に、ソーレー帯が短波長側にシフトすることである。バクテリオクロリン型π電子系は、クロリン型π電子系よりも、π共役度が下がっているにも関わらず、最長吸収波長帯が長波長側にシフトすることは大変興味深い。一般的なπ電子共役系有機化合物は、π共役度が増大することによって光吸収端を長波長シフトさせている。つまり、エチレンよりもブタジエンが、ベンゼンよりもナフタレンの方が長波長の光を吸収できるようになる。このルールに則れば、共役度の高いクロリン型分子が、共役度のより低いバクテリオクロリン型分子よりも長波長シフトした最長波長吸収帯（Qy帯）を有することになる。しかし、実際には、その逆となっている。バクテリ
オクロリン型分子では、クロリン型分子の 7 － 8 位の二重結合が単結合になることで（図 2-2 右下）、より y 軸方向にπ電子系が偏在し、このために Qy 帯
322-11.0（a）

光 物 性Soret0.8NN0.6Mg
NN

0.40.20.01.0

Qx

Qy

Chl c1（b）

Soret0.8
吸光度OE

COOH

7

Qy(0,0）

8NN
Mg

0.6NN

0.40.20.01.0

Qy(0,1）OE

COOR

Chl aO

Qy（c）

0.8

7

Soret0.68

NN
Mg
N0.4

N

Qx

0.2
COOR

0.0EO

BChl a
300

400

500

600
700
波長λ（nm）

800

900

E＝COOCH3，R＝フィチル

図2-2 吸収スペクトル（a）
クロロフィル c1、（b）
クロロフィル a、（c）バクテリオクロロフィル a。実線はジエチルエーテ
ル中で、点線はテトラヒドロフラン中。

が長波長シフトしたと説明できる。π共役度の減少にも関わらず、Qy 帯が大きく長波長シフトしている点は、分子の対称性が吸収帯に大きく影響を与える系として興味深い。ポルフィリン骨格を有する Chl c1 では（図 2-2 右上）、π電子系の対称性が高くなるために y 軸方向へのπ電子系の偏在が減少し、さほど大きな Qy 帯は見られなくなり、Qx 帯と同程度の大きさまで小さくなる（図2-2 a）。さらに、π共役度の増大に伴い、前述の予想通りに Qy 帯が短波長シフトするようになる。
33

4 クロロフィルの生物学
4-1

光合成系での機能

クロロフィルは植物の代謝系の中でもっとも重要な光合成系で機能する色素である。光合成は、光という物理学的なエネルギーを、いくつかの反応過程を経て、最終的には糖の合成、すなわち還元反応による化学結合の生成、という化学的エネルギーへと変換する過程（図 4-1）である。その中でクロロフィルが機能するのは、光エネルギーの吸収と光化学反応中心分子への励起エネルギー伝達、光化学反応中心分子での電子移動反応の駆動、の 2 点である。前者を光捕集色素として機能するといい、後者を電子移動反応系として機能するという。この 2 種類の機能は、多くの反応素過程から構成される複雑な反応系によるものである。光合成細菌から酸素発生型光合成生物までの反応系の保存性という観点に立てば、光捕集性色素としての機能では低く、電子移動反応系としての機能では高い。

電子供与体
光CO2

光化学反応系糖

アンテナ色素系

光化学反応中心電子伝達成分

高還元物質
高エネルギー
化合物

有機物

光（励起）
エネルギー

電気エネルギー

電気化学
エネルギー

化学（結合）
エネルギー

化学（結合）
エネルギー

糖

図4-1 光合成におけるエネルギー変換様式
光（励起）エネルギーから化学（結合）エネルギーへの変換過程を示す。
アンテナ色素系でのエネルギー移動、反応中心複合体での電子移動反応を光化学反応系と呼ぶ。

4-1-1

光合成色素（アンテナ系）の概念と構成

光合成色素系は、光化学反応を行う光化学反応中心（Reaction Center；RC）複合体に励起エネルギーを供給する色素タンパク質複合体を指す（図 4-2）。
137

4．クロロフィルの生物学（1）
周辺集光装置
中心集光装置
H2O

PQ
PS II

NADPH
PS I

（2）

光エネルギー
周辺集光装置エネルギー準位の勾配

中心集光 光化学反応中心︵電子移動︶
装置

−e
色素Cyt
b6 f

光合成アンテナ系（光学断面積の増大、エネルギー移動）
会合体形成（基本ユニットの集合構造）

タンパク質

図4-2 光合成アンテナ系と反応中心複合体（1）酸素発生型光合成系の光化学反応系の構成。反応中心と一体型の複合体を形成する PS I型と、分離型の複合体を形成する PS II 型の違いを示す。
（2）光合成アンテナ系の概念図。中心集光装置と周辺集光装置の違いを示す。両者は共にアンテナとして機能するが、前者は常に反応中心複合体と結合しているが、後者は強光下では合成が抑制され、それによってエネルギーの流入量が調節されることになる。

反応中心複合体と同一タンパク質複合体に存在する場合（一体型）と、異なる複合体に存在する場合（分離型）に大別される（表 4-1 参照）。光化学系 I 型
反応中心（PS I 型 RC）は前者、光化学系 II 型反応中心（PS II 型 RC）は後者である（図 4-2(1)）
。分離型の場合、色素タンパク質複合体はさらに二つのグループに分けられる。一つは反応中心複合体と化学量論的に結合する中心集光装置（コアアンテナ）であり、他は中心集光装置に結合するが、反応中心複合体とは直接は結合しない周辺集光装置（ペリフェラルアンテナ）である。ペリ1404-1光合成系での機能

フェラルアンテナは光強度によってその合成が制御される（図 4-2(2)）。強光下では合成が抑制され、結果的に反応中心複合体への励起エネルギーの流入が抑制される。樹木の群落において、光の強い木の先端部分は色が淡く、基部にいくに従って色が濃くなるのはこうした光条件による色素濃度の違いを反映している。
中心集光装置には、酸素発生型光合成生物ではクロロフィル、また光合成細菌においてはバクテリオクロロフィルが必ず結合しているが、酸素発生型光合成生物では周辺集光装置にはクロロフィルが結合していない場合もある。結合していない例として、シアノバクテリア、紅藻やクリプト藻がもつ周辺集光装置であるフィコビリンタンパク質がある。中心集光装置、周辺集光装置を問わず、クロロフィル（またはバクテリオクロロフィル）が存在する場合、基本的にカロテノイドが存在し、両者は協働的に機能を担う。
4-1-2

アンテナ系の各論

クロロフィルの大部分は光合成系で光を吸収し、少数の光化学反応を担う分子への励起エネルギー移動を担う。これはいわゆる「増感剤」としての機能である。そこでまず、アンテナ色素として多様性が高く、かつ系統性を色濃く反映する周辺集光装置での機能と、それを実現するための分子構造やエネルギー準位の決定に効果をもつ相互作用などの分子機構を、光合成生物の分類体系や系統性に沿って解説する。基本的には同じ原理で構築されていても、個々の系
では色素やアポタンパク質に独自の様式があり、それらを知ることで統一的な理解に結びつくと考えられる（Schmid, 2008）。
（1）ヘリオバクテリア、緑色硫黄細菌
ヘリオバクテリア、緑色硫黄細菌のアンテナ系は、反応中心複合体と同一の複合体から構成される一体型である。両者の体制は同じであるが、使われる色素は前者が BChl g であるのに対して、後者は BChl a である。光化学反応過程は PS I 型である。
ヘリオバクテリアの反応中心複合体の結晶構造は現時点では未解明である。
したがって、色素の結合様式は理解されていない。反応中心複合体は同一タンパク質が 2 分子会合したホモダイマーであり、結合する色素の配置に関しては対称性が高いことが予想される（図 4-3(1)）
。結合する BChl g の数は 25 〜 40分子とされており、数は明確ではない。一方、緑色硫黄細菌においても結晶構
141

5-8

直線二色性

5-85-8-1

原

直線二色性

理

直線偏光とは、光の電気ベクトルの方向が時間によって変化しない性質をもつ光のことで、偏光プリズムや薄膜の偏光子を通過した後に得られる。通常の光は進行方向から見ると光の電気ベクトルが 360 度の中で均等に存在し、まったく偏りのないものであるが、直線偏光はその中の特定の方向だけをもつ光を取りだしたものである。
直線偏光を物質に照射しても、物質の双極子モーメントの配向がランダムであれば特別の効果はないが、物質の側に配向性があれば、縦偏光と横偏光では吸収量に差（Abs‖ − Abs⊥）が生じ、したがって二色性が観測される。これを直線二色性（Linear dichroism；LD）という。これによって、配向試料中の物質（色素）の配向を考察することが可能となる（図 5-13(1)。三室，1990；。
Garab and van Amerongen, 2009）
配向したタンパク質複合体について、LD の値は、吸収物質の遷移双極子モーメントの方向（φ）と次式により関係づけられる（図 5-13(1)）。

一方向への伸長

光検出器

φ圧縮A⊥
偏光子

A

＝

測定光

配向した複合体

図5-13(1) LDスペクトル測定法の原理
媒体（例えばポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド）中に分散された試料に、一定方向から力を加えることで、力に対してもっとも抵抗が少なくなる方向に試料が並ぶことを利用して試料を配向させる。次に、測定に際しての軸方向を力の方向と関連させて決め、測定軸に対して垂直、水平の電気ベクトルをもつ直線偏光を当て、それぞれでの吸収特性を測定する。波長を走査すれば吸収スペクトルが測定できる。直線偏光は偏光子を使って作ることができる。
255

5．クロロフィルの分析法

LD ＝ A‖ − A⊥＝（3/2）A（3 cos φ− 1）
2（A‖ ＋ 2A⊥）
A ＝（1/3）
ここで A は吸光度を示す。
時として、二色性比（dichroic ratio；DR）、もしくは Reduced LD（LDr）が用いられる。定義は、
DR ＝ A‖ ／ A⊥
（3 cos φ− 1）
LDr ＝ LD ／ A ＝（A‖ − A⊥）／ A ＝（3/2）
2である。これらの指標を使うことで、吸収に関与する物質（群）の遷移双極子モーメントの方向が決められる。とくに後者では、単一成分であれば吸収強度に無関係に一定値を与えるなど、値が直接配向に関連するので、解析が容易である。
5-8-2

測 定 法直線偏光を得るには偏光子が必要である。プリズム偏光子を使うともっとも質の高い直線偏光を得ることができるが、ビームの入射角に制限があり、分光器のビームの形状によっては使えない場合もある。一般にはフィルム偏光子が多用される。この場合、ビームの形状には依存しないので、どのような分光器でも使用が可能であるが、材質に依存して有効な波長範囲に制限がある。2 枚のフィルムを直交させても特定の波長領域では光が透過する場合があるので、有効波長範囲について慎重に検討することが必要である。
一般には、測定したい波長範囲には吸収のない媒体中に試料を入れ、媒体を機械的に伸張、または圧縮することにより特定の方向への力を掛け、その力に物質が抵抗をもっとも小さくする方向に並ぶことを利用して、試料を配向させる。媒体としてポリビニルアルコール（PVA）を使う場合は、試料を加えた後に引っ張って特定方向に並べる。また、ポリアクリルアミドゲル（PAG）を使う場合、ゲルを圧縮することにより特定方向に並べる。PAG の場合、濃度によって架橋の密度が異なるため、生体高分子や複合体の大きさによって適切な濃度を決めることが望ましい。伸張、圧縮には特別の装置を用いるが、市販品はないので、各自で開発することが必要となる。
ダブルビームの自記分光光度計で測定する場合が多い。観測される吸光度の差（Abs‖ − Abs⊥ ) は小さいので、アナログのデータしか取り扱えない場合は測定が困難な場合が多い。現在市販されている自記分光光度計の多くは、PC256