Struktur und Funktion von Chlorophyll

biochemisches Seminar für Lehramtskandidaten

05.10.2010

Referent: Sebastian Lamour

Chlorophyll

→ Χλωρός - hellgrün, frisch φύλλον - Blatt

→ Klasse von natürlichen Farbstoffen, die von Organismen gebildet werden, die Photosynthese betreiben → Die Chlorophylle sind die photosynthetisch aktiven Pigmente

Chlorophyll

→ Hauptaufgabe des Chlorophylls ist die Absorption des Sonnenlichts und die Weiterleitung dieser Energie

→ wandelt Licht in chemische Energie um

→ Chlorophyll ist der natürliche, energiegewinnende Bestandteil aller grünen Pflanzen

Chlorophyll

• Chlorophylle absorbieren Licht im Bereich von 400 – 480 nm (blau) und 550 – 700 nm (gelb bis rot)

• Im Bereich zwischen 480 nm und 550 nm (grünes Licht) geringe Absorption durch Chlorophyll

→ „Grünlücke“ (490 und 620 nm)

(alle Wellenlängen außer grün werden absorbiert)

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Absorption

• Chl. a ≈ 430/ 662 nm • Chl. b ≈ 453/ 642 nm• α Carotin ≈ 422/ 444/ 473

nm• β Carotin ≈ 425/ 450/ 477

nm

Absorbtionsspektrum:

Engelmann

Engelmannsche Bakterienversuch: 1882 bis 1884

→ nutzen Pflanzen bei der Photosynthese das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts oder werden bestimmte Spektralbereiche stärker genutzt als andere? 

Struktur

• ~1900 begann die Strukturaufklärung von Chlorophyll

• Richard Willstätter stellte erste Forschungen u.a. zu Photosynthese und Chlorophyll

• 1940 klärte Hans Fischer die Struktur von Chlorophyll auf

• 1960 konnten Woodward, Strell und Treibs die von

Fischer aufgestellte Struktur beweisen

• Die absolute Konfiguration von Chlorophyll wurde 1967 von Ian Fleming aufgeklärt

Struktur

• Läuft die Photosynthese bei Lebewesen ab, die Sauerstoff freisetzen (oxygene Phototrophen), spricht man allgemein von Chlorophyll (Pflanzen, Algen, Cyanobakterien)

• Anoxygene Phototrophen erzeugen jedoch nicht Sauerstoff als Reaktionssprodukt bei der Photosynthese, bei diesen Organismen bezeichnet man das Chlorophyll als Bakteriochlorophyll (photosynthesetreibende Bakterien)

• Chlorophyll a, b, c1, c2, d, f

• Bacteriochlorophyll a, b, c, cs, d, e, g

Struktur

links: Struktur des Pyrrolringes rechts: Struktur des Porphyrinringes

Bacteriochlorophyll

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Kupferchlorophyll

N

N

N

N

H OCH2

CH2 COOCH3

CHO

COOC20H39

Mg

A B

CD

E

Cu2+

Mg2+

N

N

N

N

H OCH2

CH2 COOCH3

CHO

COOC20H39

Cu

A B

CD

E

+

-

Photosynthese

2)2(22 OOCHLichtOHCO

Photosynthese• 2 Schritte:

→ 1. Lichtreaktion: Umwandlung der Lichtenergie in chemische Energie (ATP, NADPH)

→ 2. Dunkelreaktion: Kohlenstoff-Fixierungs-Reaktion Nutzung von ATP und NADPH zur Reduktion von CO2 und Aufbau von Zuckern (Calvin-Zyklus)

• Photosystem I / Photosystem 2

Photosynthese

• Chloroplasten: Ort der Photosynthese

Photosynthese: Chlorophyll

• um Licht absorbieren und in chemische Energie umwandeln zu können, braucht der Chloroplast das Chlorophyll

• Chlorophyll absorbiert Photonen und leitet die absorbierte Energie weiter

• Chlorophyll a: wichtigstes Photorezeptormolekül in grünen Pflanzen

(

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Anregung des Chlorophyll durch Licht

• Absorbiert ein Molekül Licht, geht es in einen angeregten Zustand über

• Bei der Rückkehr in den Grundzustand wird die Energie als Wärme oder Fluoreszenz abgegeben

Photonen werden auch von anderen Photopigmenten absorbiert

→ akzessorische Pigmente = Hilfspigmente (Xanthophylle, Carotinoide, Chlorophyll b,…)

• Lichtsammelfalle: Lichtsammelkomplex; Antennenkomplex; LHC (light harvesting complex)

→ aus vielen hundert Pigmentmolekülen aufgebaut, die dazu dienen, das Licht einzufangen:

a) große absorbierende Fläche b) größte Teil der auftreffenden Sonnenstrahlung wird absorbiert c) „Grünlücke“ wird kompensiert

→ akzessorische Pigmente übertragen ihre Energie auf Chlorophyll a Moleküle:

Resonanzenergietransfer: Anregungsenergie wird durch elektromagnetische Wechselwirkungen von einem auf das andere Molekül übertragen

→ allgemein:

in den Lichtsammelkomplexen wird Sonnenenergie aufgenommen und effizient zum Reaktionszentrum weitergeleitet über Chlorophyll Moleküle

Antennenkomplex

→ jede Lichtsammelfalle enthält ein Reaktionszentrum, das aus zwei Chlorophyll – Molekülen (special pair) besteht

• Akzeptor dieser Energie im Reaktionszentrum:

zwei Chlorophyll Moleküle (special pair)

→ niedriger energetisch angeregte Zustand als ein Chlorophyll Molekül allein

→ Sie sind so speziell angeordnet, dass ihre Anregung zu einer Ladungstrennung führt (erster Schritt der eigentlichen Photosynthese)

Im Reaktionszentrum: Photoinduzierte Ladungstrennung

Das Elektron bewegt sich vom angeregten Donor zu einem geeigneten Akzeptor

Lichtsammelkomplexe in den grünen Pflanzen

allgemeine Funktionen

• Chlorophyll reguliert den Säure/Basehaushalt des Körpers

• fördert die Zellatmung und den Stoffwechsel

• hilft dem Körper bei der Nährstoffverwertung

• es hat einen positiven Einfluss auf das Herz-Kreislaufsystem und wirkt blutreinigend

allgemeine Funktionen

• krebshemmende Wirkung

• regt die Durchblutung der Haut an und verbessert die Sauerstoffzufuhr

• unterstützt das Immunsystem

• Chlorophyll wirkt zudem entzündungshemmend

Vorkommen

• Süßwaren, Kaugummi, Käse, Konfitüren, Limonaden, Liköre,…

• Färben von Arzneimitteln und Kosmetika

• Farbstoff E 140 in Lebensmitteln