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Struktur und Funktion von Chlorophyll
biochemisches Seminar für Lehramtskandidaten
05.10.2010
Referent: Sebastian Lamour
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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
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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
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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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5
Absorption
• Chl. a ≈ 430/ 662 nm • Chl. b ≈ 453/ 642 nm• α Carotin ≈ 422/ 444/ 473
nm• β Carotin ≈ 425/ 450/ 477
nm
Absorbtionsspektrum:
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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?
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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
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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)
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• Chlorophyll a, b, c1, c2, d, f
• Bacteriochlorophyll a, b, c, cs, d, e, g
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Struktur
links: Struktur des Pyrrolringes rechts: Struktur des Porphyrinringes
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Bacteriochlorophyll
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16
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
+
-
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Photosynthese
2)2(22 OOCHLichtOHCO
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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
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Photosynthese
• Chloroplasten: Ort der Photosynthese
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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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25
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
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Photonen werden auch von anderen Photopigmenten absorbiert
→ akzessorische Pigmente = Hilfspigmente (Xanthophylle, Carotinoide, Chlorophyll b,…)
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• 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
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→ allgemein:
in den Lichtsammelkomplexen wird Sonnenenergie aufgenommen und effizient zum Reaktionszentrum weitergeleitet über Chlorophyll Moleküle
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Antennenkomplex
→ jede Lichtsammelfalle enthält ein Reaktionszentrum, das aus zwei Chlorophyll – Molekülen (special pair) besteht
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• 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)
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Im Reaktionszentrum: Photoinduzierte Ladungstrennung
Das Elektron bewegt sich vom angeregten Donor zu einem geeigneten Akzeptor
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Lichtsammelkomplexe in den grünen Pflanzen
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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
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allgemeine Funktionen
• krebshemmende Wirkung
• regt die Durchblutung der Haut an und verbessert die Sauerstoffzufuhr
• unterstützt das Immunsystem
• Chlorophyll wirkt zudem entzündungshemmend
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Vorkommen
• Süßwaren, Kaugummi, Käse, Konfitüren, Limonaden, Liköre,…
• Färben von Arzneimitteln und Kosmetika
• Farbstoff E 140 in Lebensmitteln