Hast Du Dich schon einmal gefragt, wieso die meisten Pflanzen grün sind? Und weißt Du, wie genau Pflanzen Sonnenlicht nutzen können, um Photosynthese zu betreiben?
Das Blattgrün Chlorophyll hilft Pflanzen bei diesen Aufgaben und Eigenschaften. Im Folgenden wirst Du mehr über Prozesse lernen, in denen Chlorophyll eine Rolle spielt.
Chlorophyll Vorkommen
In Pflanzen, Algen und Cyanobakterien – also Organismen, die Sauerstoff benötigen und Photosynthese betreiben – ist Chlorophyll zu finden.
Außerdem gibt es noch Bakterien, die zwar Photosynthese betreiben, aber anaerob – also ohne die Verstoffwechselung von Sauerstoff – leben. In diesen Bakterien kommt eine Variante des klassischen Chlorophylls namens Bakteriochlorophyll vor.
Chlorophyll – Aufbau
Um zu verstehen, wie Chlorophyll seine Funktionen erfüllen kann, solltest Du zunächst erfahren, wie Chlorophyll aufgebaut ist.
Aufgrund seiner Struktur wird Chlorophyll auch als Chelat-Komplex bezeichnet.
Chelat-Komplexe bestehen aus einem Chelat-Liganden und einem Zentralatom. Der Chelat-Ligand ist ein Grundgerüst, das eine besondere Art von Bindung – eine koordinative Bindung – zum Zentralatom ausbildet. Das Zentralatom ist meist ein Metallatom, das mindestens zwei freie Valenzelektronen hat.
Ein anderer bekannter Chelat-Komplex ist zum Beispiel Hämoglobin, der rote Blutfarbstoff.
Das Grundgerüst des Chlorophylls besteht aus einem sogenannten Porphyrin-Ring (C20H14N4), der derivatisiert ist; an ihm hängen also noch verschiedene Verbindungen und Seitenketten als Reste. Als Zentralatom dient ein zweifach positiv geladenes Magnesium-Ion Mg2+. Um die verschiedenen Teile des Chlorophylls besser zuordnen zu können, sind sie in der folgenden Abbildung farblich markiert.
Chlorophyll a und b
Die in Abbildung 1 zu sehende Struktur ist Chlorophyll a, eine der Formen in der Chlorophyll auftreten kann.
Die lange Seitenkette, die unten links an den Ring gehängt ist, wird auch als Phytol-Seitenkette bezeichnet.
Chlorophyll a kommt in allen Eukaryoten vor, die Photosynthese betreiben, ebenso wie in Cyanobakterien.
Chlorophyll b ist nur in Landpflanzen und Grünalgen zu finden. Im Gegensatz zu Chlorophyll a hat Chlorophyll b eine -CHO Gruppe anstelle einer der vielen -CH3 Gruppen am Porphyrin-Ring.
Weitere Arten von Chlorophyll
Außer dem Chlorophyll a und b gibt es Chlorophyll c1, c2, d, und f, die sich strukturell nur darin voneinander unterscheiden, welche Reste am Ring hängen. In Landpflanzen sind jedoch nur Chlorophyll a und b zu finden.
Chlorophyll c ist typisch für diverse Algenarten (unter anderem Braunalgen) und Chlorophyll d für Rotalgen.
Chlorophyll – Optische Eigenschaften
Wie jedes Molekül interagiert auch Chlorophyll durch seinen Aufbau auf eine einzigartige Weise mit Licht. Diese sogenannten optischen Eigenschaften helfen dem Chlorophyll, seine Aufgaben zu erfüllen.
Eigenschaften von Licht
Um die Interaktion von Chlorophyll mit Sonnenlicht verstehen zu können, solltest Du erst einmal mehr darüber erfahren, was genau Licht eigentlich ist und welche Eigenschaften es besitzt.
Wellenlängen des Lichts
Licht scheint bei der ersten Betrachtung ein nicht greifbares Phänomen zu sein. Doch vielleicht hast Du schon einmal davon gehört, dass Licht eigentlich eine elektromagnetische Welle ist. Das heißt, dass sich jeder Strahl in Wellenform fortbewegt. Daher hat jedes Licht auch eine Wellenlänge.
Als Wellenlänge wird der Abstand zwischen zwei Maxima einer Welle bezeichnet.
Je nachdem wie groß die Wellenlänge eines Lichtstrahls ist, ändert sich auch die Energie, die in diesem Licht liegt. Kleinere Wellenlängen bedeuten eine höhere Energie.
Stell Dir vor, Du hast ein langes Seil vor Dir und nimmst das eine Ende in die Hand.
Jetzt fängst Du an, dieses Ende hin und her zu schwingen. Die Bewegung überträgt sich auf das Seil und Wellen fangen an, sich über das Seil zu bewegen. Das sind Dir aber nicht genug Wellen und Du fängst an, Deinen Arm schneller und schneller zu bewegen.
Die Länge der Wellen, die Du im Seil siehst, ist jetzt kürzer, weil auf die immer gleichbleibende Länge des Seils eine größere Anzahl an Wellen passen muss. Du merkst aber auch, wie Deine Arme immer müder werden, denn es kostet Dich mehr Energie, die vielen, kleinen Wellen ins Seil zu übertragen.
Auf diese Weise ist in den kleineren Wellenlängen eine höhere Energie gespeichert.
Interaktionen mit Licht
Wenn ein Lichtstrahl nun auf ein Hindernis trifft, können verschiedene Dinge passieren: Das Licht kann zum Beispiel absorbiert, transmittiert oder reflektiert werden. Bei einer Reflexion wird der Lichtstrahl vom Hindernis zurückgeworfen.
Das kannst Du Dir wie bei einem Spiegel oder einer glatten Wasseroberfläche vorstellen. Das Licht der Umgebung wird daran zurückgeworfen (reflektiert) und Menschen können es mit den Augen auffangen. Die Wellenlängen, die das Auge dabei erreichen, können als Farben interpretiert werden. Somit wird im Spiegel oder der Wasseroberfläche ein Bild erkannt, obwohl das eigentliche Objekt ganz woanders steht.
Bei einer Transmission wird das Licht durch das Material hindurchgelassen. Absorption hingegen beschreibt eine Aufnahme der Energie des einfallenden Lichts in das Material, woraufhin es umgewandelt wird.
Meistens liegt eine Kombination dieser drei Möglichkeiten vor: Je nach Material werden manche Wellenlängen des Lichts vom Material absorbiert und andere reflektiert oder transmittiert. Welche Wellenlängen sich wie verhalten, kann in einem sogenannten Absorptionsspektrum abgelesen werden.
Absorptionsspektrum des Chlorophyll
In einem Absorptionsspektrum kann man nun sehen, wie sehr die verschiedenen Wellenlängen vom Material absorbiert werden. Dass es sich je nach Molekül stark unterscheiden kann, ist in Abbildung 3 gut zu erkennen. Dort werden die Absorptionen von Chlorophyll a und b Molekülen gezeigt und obwohl sie sich in ihrem Aufbau nur um wenige Atome unterscheiden, resultiert das schon in erkennbar unterschiedlichen Spektren.
Die Maxima der Kurven zeigen an, welche Wellenlängen an Licht vom jeweiligen Chlorophyll am besten absorbiert und verwertet werden können. Diese werden daher auch Absorptionsmaxima genannt.
- Chlorophyll a: Absorptionsmaxima bei 430 nm (violett) und 662 nm (rot)
- Chlorophyll b: Absorptionsmaxima bei 453 nm (blau) und 642 nm (orange)
Je nachdem, ob Chlorophyll in seiner natürlichen Blatt-Umgebung betrachtet oder vorher entnommen wird, können die Maxima leicht variieren. Die angegebenen Absorptionsmaxima beziehen sich auf Chlorophyllmoleküle, die Blättern entnommen und in dem Lösemittel Diethyl-Ether untersucht wurden.
Eine weitere Sache, die sich im Spektrum gut erkennen lässt, ist die sehr geringe Absorption von Wellenlängen im grünen Farbbereich. Mit diesem Licht geschieht nämlich das Gegenteil: Es wird vom Chlorophyll reflektiert. Dies führt dazu, dass in Blättern grünes Licht zurückgeworfen wird und von den Augen aufgenommen werden kann. Daher erscheinen die meisten Pflanzen für den Menschen grün. Chlorophyll erhielt durch diese Wirkung den Beinamen Blattgrün.
Chlorophyll-Vorkommen in der Zelle
Chlorophyll von Pflanzen und Algen ist in den Chloroplasten zu finden. In diesen Organellen läuft auch die Lichtreaktion der Photosynthese ab, die Hauptaufgabe von Chlorophyll.
Chlorophyll ist ein Farbstoff von Pflanzen, der bei der Photosynthese dafür zuständig ist, Lichtenergie aufzunehmen und für die Umwandlung zu ATP weiterzuleiten.
Aufbau der Chloroplasten
Chloroplasten befinden sich im Cytoplasma der Zellen von Pflanzen und vielen Algen. Sie sind durch zwei Biomembranen (äußere und innere Membran) zum Cytoplasma abgegrenzt. Ihr Zwischenraum wird als Intermembranraum bezeichnet und innerhalb der inneren Membran befindet sich das sogenannte Stroma.
Die Membranen regulieren, welche Moleküle und Proteine ins Stroma gelassen werden und somit die dortigen Zusammensetzungen und Bedingungen.
Das Stroma ist zusätzlich mit Abkömmlingen der inneren Membran durchsetzt, die flache, aufeinandergestapelte Strukturen bilden. Diese Membranen werden auch Thylakoidmembran und die Strukturen Thylakoide genannt. Die Bezeichnung für so einen Stapel an Thylakoiden lautet Granum.
In Cyanobakterien befindet sich die Thylakoidmembran direkt in der Zelle, ohne zusätzlich in Organellen lokalisiert zu sein.
Lokalisation des Chlorophylls
Das Chlorophyll selbst ist in der Thylakoidmembran lokalisiert. Zusammen mit anderen Farb-/Pigmentstoffen sind sie darin zu sogenannten Lichtsammelkomplexen angeordnet.
Außer Chlorophyll – dem Blattgrün – gibt es in Zellen auch andere Pigmente. Diese haben andere Absorptionsspektren und sorgen daher dafür, dass die Energie des eintreffenden Lichts optimal ausgenutzt wird. Der häufigste Farbstoff in Pflanzen – neben Chlorophyll – ist Carotin. Wie der Name schon verrät, ist er für die Färbung von Karotten oder auch Tomaten zuständig, da er rotes und oranges Licht reflektiert.
Chlorophyll und die Photosynthese
Der Aufbau des Chlorophylls führt zu Eigenschaften, die Du bisher kennenlernen durftest. Im Folgenden wirst Du mehr zu der Wirkung von Chlorophyll im Rahmen der Photosynthese erfahren.
Lichtsammelkomplexe
Trifft ein Lichtstrahl mit einer bestimmten Energie auf ein Chlorophyll-Molekül, wird die Energie auf das Chlorophyll übertragen. Das führt dazu, dass das Chlorophyll von seinem Grundzustand in einen energiereichen Zustand angeregt wird. Da der angeregte Zustand kein natürlicher Zustand der Chlorophyll-Moleküle ist, fallen sie schnell wieder auf ihren Grundzustand zurück. Die überflüssige Energie verschwindet jedoch nicht einfach, sondern regt stattdessen ein benachbartes Pigment (z. B. Chlorophyll oder Carotin) an.
Die bereits erwähnten Lichtsammelkomplexe (light harvesting complex, LHC), oder auch Antennenkomplexe, sind nun dafür zuständig, dass die Lichtenergie der Sonne optimal genutzt wird: Durch ihre kompakte Anordnung um ein Reaktionszentrum herum kann die Energie von Pigment zu Pigment weitergegeben werden, bis es das Zentrum erreicht.
Die Lichtsammelkomplexe kannst Du Dir ein wenig vorstellen wie Trichter. Um die Lichtenergie möglichst optimal und ohne Verluste nutzen zu können, sind die Pigment-Moleküle um ihr Ziel herum angeordnet. So können sie auf einer verhältnismäßig großen Fläche Energie sammeln und zu ihrem Zentrum führen, wo es eigentlich gebraucht wird.
Ein Reaktionszentrum zusammen mit dem entsprechenden Lichtsammelkomplex (LHC I oder LHC II) wird auch Photosystem genannt.
Photosysteme
In Pflanzen sind die Photosysteme I und II zu finden, wobei das Photosystem II um ein Vielfaches häufiger vorkommt.
Nachdem die im Lichtsammelkomplex generierte Energie das Reaktionszentrum erreicht, werden die darin sitzenden Moleküle ebenfalls angeregt.
In beiden Photosystemen bilden zwei teilweise modifizierte Chlorophyll a-Moleküle in Form eines Dimers das Reaktionszentrum.
Im Photosystem I wird dieses Chlorophyll-Dimer als P700 bezeichnet und in Photosystem II als P680. Die Zahlen stehen dabei für die Wellenlängen, bei denen diese Chlorophyll-Moleküle die beste Absorption zeigen.
Wenn Du diese Zahlen mit einem Absorptionsmaximum der normalen Chlorophyll a Moleküle vergleichst (642 nm), dann fällt Dir bestimmt auf, dass die Wellenlänge der Energie im Reaktionszentrum höher sein muss, um verwertet zu werden. Dafür gibt es eine ganz einfache Erklärung:
Jedes Mal, wenn die Energie im Lichtsammelkomplex von Pigment zu Pigment weitergegeben wird, geht auch ein wenig davon in Form von Wärme verloren.
Daher ist die Energie, die im Reaktionszentrum ankommt, niedriger als die Energie, die ursprünglich in Form von Licht auf das erste Pigment getroffen ist. Wenn eine Welle eine niedrigere Energie besitzt, zeigt sich das in Form einer größeren Wellenlänge.
Die Pigmente im Zentrum müssen daher fähig sein, höher wellige Energie zu absorbieren, um ihre Aufgabe so effizient wie möglich ausführen zu können.
Die Reaktionszentren der Photosysteme werden durch die gesammelte Energie angeregt und in diesem Zustand als P680* und P700* bezeichnet. Über eine sogenannte Elektronentransportkette kann diese Energie dann in Form von Elektronen zu weiteren Verwertung im Rahmen der Photosynthese weitergegeben werden. Auf diese Weise wird die Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt.
Die Elektronentransportkette
Die Elektronentransportkette besteht aus mehreren Proteinen, die in die Thylakoidmembran eingelassen sind. Dazu gehören auch die Photosysteme I und II. Durch die Weitergabe von Elektronen zwischen diesen Proteinen, die als Redoxsysteme agieren, werden die lichtabhängigen Reaktionen der Photosynthese ermöglicht.
Redoxsysteme können sowohl als Elektronenakzeptoren tätig sein und Elektronen aufnehmen, als auch als Elektronendonatoren, wobei sie Elektronen abgeben.
Als Endprodukt der Elektronentransportkette entstehen sowohl NADPH als auch der universelle Energieträger ATP.
NADPH und ATP (Adenosintriphosphat) sind Moleküle, die in der Zelle als Energiequelle genutzt werden. Indem beim NADPH ein Wasserstoffatom oder beim ATP ein Phosphatrest abgespalten werden, wird Energie frei, die vielfältig genutzt werden kann.
NADPH und ATP können im weiteren Verlauf der Photosynthese im Rahmen des Calvin-Zyklus ("Dunkelreaktion") genutzt werden, um Kohlenhydrate und CO2 zu produzieren. Der Calvin-Zyklus findet nicht mehr in der Thylakoidmembran, sondern im Stroma statt.
Biosynthese des Chlorophylls
Die Chlorophyll-Synthese findet – je nachdem, ob der Organismus Chloroplasten hat oder nicht – entweder in den Chloroplasten oder im Cytoplasma statt.
Die Synthese startet bei L-Glutamat und führt über viele Enzyme und dem Molekül Uroporphyrinogen III hin zu Protoporphyrin IX. In dieses Molekül wird erstmals das Magnesium-Ion eingeführt. Nach weiteren enzymatischen Schritten entsteht Chlorophyll a. Dieses kann dann zu Chlorophyll b umgewandelt werden und auch umgekehrt.
Die Bildung von Chlorophyll ist in vielen Pflanzen abhängig vom Licht. Pflanzen mit Blüten (Angiosperme) benötigen zwingend Licht, um überhaupt Chlorophyll produzieren zu können. Andere Pflanzen, Algen und Cyanobakterien hingegen können dazu fähig sein, lichtunabhängig Chlorophyll herzustellen.
Die typische rote Färbung von Blättern im Herbst kommt daher, dass der grüne Blattfarbstoff Chlorophyll um diese Jahreszeit herum abgebaut wird.
Chlorophyll Wirkung beim Menschen
Nicht nur für Pflanzen ist Chlorophyll von großem Nutzen, auch Menschen können durch die Einnahme des Blattgrüns vielen Unannehmlichkeiten entgegenwirken. Nicht umsonst soll man für eine gesunde Ernährung viel grünes Gemüse essen!
Chlorophyll ist nicht schädlich für den Menschen, weshalb es auch als Farbstoff in diversen Lebensmitteln verwendet werden darf.
Dass etwas nicht schädlich ist, sollte niemals wörtlich genommen werden. In zu hohen Konzentrationen kann alles irgendwann schädlich für den Körper sein, sogar Wasser.
Die Wirkung des Chlorophylls deckt ein breites Spektrum ab: Zum Beispiel wurde anhand von Studien mit Tieren belegt, dass Chlorophyll gegen die Schimmelpilzgifte helfen kann. Da diese Gifte ein Grund für die Entstehung von Leberkrebs sein können, kann durch die Einnahme von Chlorophyll also Leberkrebs vorgebeugt werden. Auch eine antivirale Wirkung konnte Chlorophyll nachgewiesen werden, da es verhinderte, dass Viren in Zellen eindringen und eine Infektion auslösen konnten.
Allerdings können nicht alle angeblichen Wirkungen des Chlorophylls auch wissenschaftlich belegt werden. Zum Beispiel wird Chlorophyll meistens mit seiner guten Wirkung gegen Mund- und Körpergeruch beworben. Dazu gibt es jedoch noch keine aussagekräftigen Studien.
Chlorophyll - Das Wichtigste
- Chlorophyll kommt in Pflanzen, Algen und Cyanobakterien vor – Organismen, die unter Sauerstoffverbrauch Photosynthese betreiben – und wird auch als Blattgrün bezeichnet, da es als Pigment Pflanzen ihre charakteristische Farbe verleiht.
- Chlorophyll ist ein Chelat-Komplex und besteht aus einem Porphyrin-Ring mit verschiedenen Resten und einem Magnesium-Ion.
- In Pflanzen ist Chlorophyll in Photosystemen zu finden, die in der Thylakoidmembran von Chloroplasten lokalisiert sind. Dort ist es in Lichtsammelkomplexen/Antennenkomplexen angeordnet und nimmt eine wichtige Rolle in der Photosynthese ein.
- Chlorophyll kann Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren und die Energie an das nächste Pigmentmolekül im Lichtsammelkomplex weitergeben, bis die Energie im Reaktionszentrum des Photosystems in chemische Energie umgewandelt wird.
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