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Das Chlorophyll (von griechisch χλωρός, chlorós - „hellgrün, frisch“ und φύλλον, phýllon - „Blatt“) oder Blattgrün bezeichnet eine Klasse natürlicher Farbstoffe, die von Organismen gebildet werden, die Photosynthese betreiben. Insbesondere Pflanzen erlangen ihre grüne Farbe durch Chlorophyllmoleküle.

Pflanzen, Algen und Cyanobakterien besitzen verschiedene Chlorophylltypen, verschiedene photosynthesetreibende Bakterien verschiedene Typen von Bacteriochlorophyll.

Struktur und Eigenschaften

Chemisch gesehen sind die Chlorophylle organische Komplexe (basierend auf Chlorin) mit einem Mg²⁺-Ion als Zentralion. Der organische Teil wirkt als vierzähniger Ligand des Chelatkomplexes. Beim Chlorophyll a ist der kettenförmige Teil des Moleküls eine veresterte Form des Phytols.

Eine sehr ähnliche Struktur besitzen die Häme, die Bestandteil des Blutfarbstoffs (Hämoglobin), des Myoglobins und der Cytochrome sind, wobei in den Hämen Eisen statt Magnesium das Zentralatom ist.

Chlorophyll ist gut löslich in Ethanol, Aceton und anderen Lösungsmitteln mit ähnlichen Eigenschaften.

[[Hilfe:Cache|Fehler beim Thumbnail-Erstellen]]: convert: unable to open image `/var/www/kefk/w/images/6/63/Chlorophyll_structure.png': No such file or directory. Grundstruktur für die Chlorophylle a, b und d

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Spektrale Eigenschaften

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Absorptionsspektrum von Chlorophyll a und b.

Die Absorptionsspektren von in Lösungsmitteln gelösten Chlorophyllen besitzen immer zwei ausgeprägte Absorptionsmaxima, eines zwischen 600 und 800 nm, das als Q_y-Bande bezeichnet wird, und eines um 400 nm, das Soret-Bande genannt wird. Die Abbildung rechts zeigt diese Absorptionsmaxima für Chlorophyll a und b. Zusätzlich existiert die Q_x-Bande um 580 nm, die senkrecht zu Q_y polarisiert ist und in der Regel sehr schwach absorbiert. Für Chlorophyll a ist sie in der Abbildung noch zu erkennen, für Chlorophyll b verschwindet sie im Untergrund.

An den Spektren in der Abbildung kann man leicht verstehen, warum Blätter – diese enthalten gerade Chlorophyll a und b – grün sind. Zusammen absorbieren Chlorophyll a und b hauptsächlich im blauen Spektralbereich (400–500 nm) sowie im roten Spektralbereich (600–700 nm). Im grünen Bereich hingegen findet keine Absorption statt, so dass grünes Licht gestreut wird, was Blätter grün erscheinen lässt.

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Struktur des Antennenkomplex LH2 eines Purpurbakteriums. Die BChl sind gelb (B800) und orange (B850) gezeichnet. Zur besseren Übersichlichkeit wurden die Phytylschwänze nicht gezeichnet und die Proteinumgebung transparent dargestellt. Die Magnesiumatome im Zentrum der BChl sind als Kugeln dargestellt.

Die Absorption ist abhängig vom Lösungsmittel und dementsprechend können die Absorptionsmaxima zwischen verschiedenen Lösungsmitteln um einige wenige Nanometer variieren. In der natürlichen Umgebung von Chlorophyllen, also der Proteinumgebung, sieht das anders aus. Hier hängt die Absorptionswellenlänge von zwei Faktoren ab: (1) Je nach Partialladung der umgebenden Aminosäuren und Verbiegung der Seitengruppen der Chlorophyllmoleküle können stark unterschiedliche Absorptionswellenlängen entstehen. (2) In Proteinen kommen sich Chlorophylle sehr nahe, sodass sie eine Wechselwirkung aufeinander ausüben (Dipol-Dipol-Wechselwirkung; bei sehr geringen Abständen auch Austauschwechselwirkung). Diese Wechselwirkung führt zu einer Absenkung der Energieniveaus und damit zu einer Rotverschiebung der Absorptionsmaxima. Dies kann man besonders eindrucksvoll am Beispiel des Antennenkomplexes LH2 von Purpurbakterien sehen. Der LH2-Komplex besteht aus zwei ringförmig angeordneten Gruppen von Bacteriochlorophyllmolekülen (siehe Abbildung links). Der obere Ring (B850) enthält 18 BChl a-Moleküle, die sehr geringe Abstände zueinander haben, also stark gekoppelt sind. Der untere Ring (B800) besteht aus 9 BChl a-Molekülen, die deutlich weiter voneinander entfernt liegen und somit viel schwächer gekoppelt sind.

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Absorptionsspektrum von BChl a und dem Antennenkomplex LH2 eines Purpurbakteriums.

Durch die starke Kopplung wird die Absorption der BChl a im B850-Ring ins Rote verschoben. Die Absortionsbande liegt bei 850 nm. Die schwachgekoppelten BChl des B800-Ring absorbieren hingegen bei 800 nm, also ungefähr im gleichen Bereich wie in Lösungsmittel gelöste BChl a-Moleküle. Im Absorptionsspektrum (Abbildung rechts) des LH2-Komplexes sind die Absorptionsbanden der B800- und der B850-BChl-Moleküle deutlich getrennt. Zusätzlich werden Banden die von Carotinoidmolekülen stammen dargestellt, diese sind in der Struktur nicht eingezeichnet.

Typen

Es gibt verschiedene Typen von Chlorophyll, die sich in den Seitengruppen des Porphyrins unterscheiden. Sie besitzen verschiedene Absorptionsspektren und kommen bei verschiedenen phototrophen Organismen vor:

Bedeutung in der Photosynthese

Chlorophylle haben innerhalb der Photosynthese mehrere Aufgaben. Der mit Abstand größte Anteil dient der Lichtabsorption und der Weiterleitung der absorbierten Energie. Hierzu sind die Chlorophyllmoleküle in Lichtsammelkomplexen organisiert, die so angeordnet sind, dass einerseits eine möglichst große absorbierende Fläche gebildet wird und andererseits ein energetischer Trichter entsteht, der die absorbierte Energie zum sogenannten Reaktionszentrum leitet. Im Reaktionszentrum dienen zwei Chlorophylle als Akzeptor dieser Energie. Sie sind so speziell angeordnet, dass ihre Anregung zu einer Ladungstrennung führt, die als erster Schritt der eigentlichen Photosynthese betrachtet werden kann. Dieses Chlorophyllpaar wird auch im deutschen als special pair bezeichnet.

Der Unterschied zwischen den höchst verschiedenen photosynthesebetreibenden Organismen liegt in der Struktur der unterschiedlichen Lichtsammelkomplexe. Das Reaktionszentrum blieb im Laufe der Evolution stark konserviert. Das special pair wird bei Pflanzen, Algen und Cyanobakterien immer von Chlorophyll a, bei Bakterien von Bakteriochlorophyll a gebildet.

Geschichte

Erste Studien über die chemische Struktur des Chlorophylls stammen von Richard Willstätter. Der Chemiker Hans Fischer nahm Willstädters Forschungen in den 1930ern wieder auf, 1940 konnte er die Struktur des Moleküls aufklären. Fischers Forschungsergebnisse wurden 1960 durch Robert B. Woodwards Chlorophyllsynthese bestätigt.

Sonstiges

Eine wichtige Eigenschaft des Chlorophylls ist die Chlorophyll-Fluoreszenz. Sie wird vor allem zum Bestimmen des Chlorophyllgehalts und dessen Aktivität sowie für andere wissenschaftliche Analysen genutzt.

Als Lebensmittelzusatzstoff erhält Chlorophyll die Kennnummer E 140.

Referenzen

1. ↑ Hugo Scheer (Editor): Chlorophylls. CRC Press, 1991. ISBN 0-8493-6842-1

Siehe auch

• Lichtsammelkomplex

Weblinks

• Absorptionsspektrum von Chlorophyll (Abschnitt 5.4)
• noch ein Absorptionsspektrum
• Facharbeit: Chloroplasten als Orte der Photosynthese, Abschnitt Chlorophyll
• Zum Chlorophyll-Abbau ODER Warum Blätter im Herbst gelb werden

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