Chlorophyll: Funktion, Aufbau und Rolle bei der Photosynthese

Chlorophyll ist notwendig für die Photosynthese, die es den Pflanzen ermöglicht, Energie aus Licht zu gewinnen.

Chlorophyllmoleküle sind in und um die Membranen von Chloroplasten angeordnet. Es erfüllt zwei Hauptfunktionen. Die Funktion des meisten Chlorophylls (bis zu mehreren hundert Molekülen pro Photosystem) besteht darin, Licht zu absorbieren und diese Lichtenergie auf Reaktionszentren zu übertragen. Diese Pigmente werden nach der Wellenlänge (in Nanometern) ihres Rot-Spitzen-Absorptionsmaximums benannt. Diese Chlorophyllpigmente lassen sich in einem einfachen Papierchromatographie-Experiment trennen.

Die Funktion des Reaktionszentrums Chlorophyll besteht darin, die ihm von den anderen Chlorophyllpigmenten übertragene Energie zu nutzen, um eine spezifische Redoxreaktion durchzuführen. Bei dieser Reaktion gibt das Chlorophyll ein Elektron an eine Elektronentransportkette ab. Diese Reaktion ist die Art und Weise, wie photosynthetische Organismen wie Pflanzen O2-Gas produzieren, und ist die Quelle für praktisch das gesamte O2 in der Erdatmosphäre. Photosystem I arbeitet typischerweise in Serie mit Photosystem II.

Der vom Reaktionszentrum Chlorophyllpigmente erzeugte Elektronenfluss wird dazu verwendet, H+-Ionen durch die Membran zu transportieren, wodurch ein chemiosmotisches Potenzial aufgebaut wird, das hauptsächlich zur Erzeugung von chemischer ATP-Energie genutzt wird; und diese Elektronen reduzieren schließlich NADP+ zu NADPH, einem universellen Reduktionsmittel, das zur Reduktion von _CO2 in Zucker sowie für andere biosynthetische Reduktionen verwendet wird.

Bei einer grünen Meeresschnecke, Elysia chlorotica, wurde festgestellt, dass sie das Chlorophyll, das sie gefressen hat, zur Durchführung der Photosynthese für sich selbst verwendet. Dieser Prozess ist als Kleptoplastik bekannt, und bei keinem anderen Tier wurde diese Fähigkeit nachgewiesen.

Warum grün und nicht schwarz?

Es ist immer noch unklar, warum sich die Pflanzen zumeist grün entwickelt haben. Grüne Pflanzen reflektieren meist grünes und fast grünes Licht, anstatt es zu absorbieren. Andere Teile des Systems der Photosynthese erlauben es grünen Pflanzen immer noch, das grüne Lichtspektrum zu nutzen (z.B. durch eine lichteinfangende Blattstruktur, Carotinoide usw.). Grüne Pflanzen nutzen einen großen Teil des sichtbaren Spektrums nicht so effizient wie möglich. Eine schwarze Pflanze kann mehr Strahlung absorbieren, und dies könnte sehr nützlich sein, da sie die Probleme der Entsorgung dieser zusätzlichen Wärme nicht versteht (z.B. müssen einige Pflanzen an heißen Tagen ihre Öffnungen, Stoma genannt, verschließen, um nicht zu viel Wasser zu verlieren). Genauer gesagt stellt sich die Frage, warum das einzige lichtabsorbierende Molekül, das in Pflanzen zur Energiegewinnung eingesetzt wird, grün und nicht einfach schwarz ist.

Der Biologe John Berman hat gesagt, dass die Evolution kein technischer Prozess ist, so dass sie oft Grenzen hat, die ein Ingenieur oder ein anderer Designer nicht hat. Selbst wenn schwarze Blätter besser wären, können die Grenzen der Evolution verhindern, dass die Arten so effizient wie möglich werden. Berman schrieb, dass es sehr schwierig sein könnte, Pigmente zu erreichen, die besser funktionieren als Chlorophyll. Tatsächlich geht man davon aus, dass sich alle höheren Pflanzen (Embryophyten) aus einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt haben, der eine Art Grünalge ist - Chlorophyll hat sich also nur einmal entwickelt (gemeinsamer Vorfahre).

Shil DasSarma, ein Mikrobengenetiker an der Universität von Maryland, hat darauf hingewiesen, dass Archaeenarten ein weiteres lichtabsorbierendes Molekül, die Netzhaut, verwenden, um aus dem grünen Spektrum Energie zu gewinnen. Einige Wissenschaftler glauben, dass grünlichtabsorbierende Archaeen einst die häufigsten in der Umwelt der Erde waren. Dies könnte eine "Nische" für grüne Organismen offen gelassen haben, die die anderen Wellenlängen des Sonnenlichts absorbieren würden. Dies ist nur eine Möglichkeit, und Berman schrieb, dass die Wissenschaftler noch immer von keiner einzigen Erklärung überzeugt sind.

Chlorophyll ist ein Chlorpigment, das strukturell ähnlich wie andere Porphyrinpigmente wie Häm ist und über denselben Stoffwechselweg produziert wird. In der Mitte des Chlorrings befindet sich ein Magnesiumion. Bei den in diesem Artikel dargestellten Strukturen wurden einige der Liganden, die an das Mg2+-Zentrum gebunden sind, aus Gründen der Klarheit weggelassen. Der Chlorinring kann mehrere verschiedene Seitenketten haben, normalerweise einschließlich einer langen Phytolkette. Es gibt ein paar verschiedene Formen, die in der Natur vorkommen, aber die am weitesten verbreitete Form in Landpflanzen ist Chlorophyll a. Die allgemeine Struktur von Chlorophyll a wurde 1940 von Hans Fischer ausgearbeitet. Im Jahr 1960, als der größte Teil der Stereochemie von Chlorophyll a bekannt war, veröffentlichte Robert Burns Woodward eine Gesamtsynthese des Moleküls. Im Jahr 1967 wurde die letzte noch verbliebene stereochemische Aufklärung von Ian Fleming abgeschlossen, und 1990 veröffentlichten Woodward und Co-Autoren eine aktualisierte Synthese. Im Jahr 2010 wurde möglicherweise ein photosynthetisches Pigment namens Chlorophyll f in Cyanobakterien und anderen sauerstoffhaltigen Mikroorganismen, die Stromatolithen bilden, entdeckt.

Die verschiedenen Strukturen des Chlorophylls sind unten zusammengefasst:

Chlorophyllgehaltsmessgeräte messen die optische Absorption eines Blattes, um seinen Chlorophyllgehalt abzuschätzen. Chlorophyllmoleküle absorbieren in den blauen und roten Bändern, aber nicht in den grünen und infraroten Bändern. Chlorophyllgehaltsmessgeräte messen die Absorptionsmenge in der roten Bande, um die Menge des im Blatt vorhandenen Chlorophylls abzuschätzen. Um unterschiedliche Blattdicken auszugleichen, messen Chlorophyllmessgeräte auch die Absorption in der Infrarotbande, die durch Chlorophyll nicht wesentlich beeinflusst wird.

Der Chlorophyllgehalt von Blättern kann zerstörungsfrei mit handgehaltenen, batteriebetriebenen Messgeräten gemessen werden. Die mit diesen Geräten durchgeführten Messungen sind einfach, schnell und relativ kostengünstig. Sie verfügen jetzt über eine große Datenspeicherkapazität, Mittelwertbildung und grafische Anzeigen.

Spektrophotometrie

Die Messung der Lichtabsorption wird durch das Lösungsmittel, mit dem sie aus Pflanzenmaterial extrahiert wird, erschwert, was sich auf die erhaltenen Werte auswirkt,

• In Diethylether hat Chlorophyll a ungefähre Absorptionsmaxima von 428 nm und 660 nm, während Chlorophyll b ungefähre Maxima von 453 nm und 642 nm hat.
• Der Absorptionspeak von Chlorophyll a liegt bei 666 nm.

Bei den Angiospermen ist der letzte Schritt in der Synthese von Chlorophyll lichtabhängig. Solche Pflanzen sind blass (etioliert), wenn sie in der Dunkelheit wachsen. Nicht-Gefässpflanzen und Grünalgen haben ein zusätzliches lichtunabhängiges Enzym und wachsen stattdessen in der Dunkelheit grün.

Chlorose ist ein Zustand, bei dem die Blätter nicht genügend Chlorophyll bilden, so dass sie gelb werden. Chlorose kann durch einen Mangel an Eisen, die so genannte Eisenchlorose, oder durch einen Mangel an Magnesium oder Stickstoff verursacht werden. Der pH-Wert des Bodens wirkt sich manchmal auf diese Art von Chlorose aus. Viele Pflanzen sind an das Wachstum in Böden mit spezifischen pH-Werten angepasst, und ihre Fähigkeit, Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen, kann davon abhängen. Chlorose kann auch durch Krankheitserreger wie Viren, Bakterien und Pilzinfektionen oder Saft saugende Insekten verursacht werden.

• Xanthophyll