Chlorophyll
Copyright © Paul May, School of Chemistry, University of Bristol
For original English text, go to: http://www.chm.bris.ac.uk/motm/chlorophyll/chlorophyll_h.htm
Translated by Valeria Aleksandrova

Paul May
School of Chemistry, University of Bristol

VRML-, Chemsymphony- und Chime-Versionen, (und eine weißrussische Übersetzung)

Chlorophyll ist das Molekül, das Sonnenlicht absorbiert und dessen Energie benutzt, um Kohlenhydrate aus CO2 und Wasser zu synthetisieren. Dieser Prozess wird Photosynthese genannt, und er ist die Basis des Lebensprozesses aller Pflanzen. Da Tiere wie Menschen ihren Nahrungsbedarf über Pflanzen stillen, kann Photosynthese auch als Quell unseres Lebens bezeichnet werden.

Chlorophyll ist die grüne Farbe in den Blättern.

Photosynthese

In 1780, the famous English chemist Joseph Priestley (right) found that plants could “restore air which has been injured by the burning of

candles.” He used a mint plant, and placed it into an upturned glass jar in a vessel of water for several days. He then found that “the air would neither extinguish a candle, nor was it all inconvenient to a mouse which I put into it“. In other words, he discovered that plants produce oxygen.

Im Jahr 1780 fand der berühmte englische Chemiker John Priestley (rechts) heraus, dass Pflanzen „Luft wiederherstellt, die von Kerzenflammen versehrt wurde“. Er nahm eine Minzpflanze und setzte sie für mehrere Tage in ein umgedrehtes Glasgefäß in einem Behältnis voll Wasser. Dadurch fand er heraus, dass „die Luft weder eine Kerze erlöschen lässt, noch war dies alles unbehaglich für eine Maus, die ich mit hineinsetzte.“ Mit anderen Worten: Er fand heraus, dass Pflanzen Sauerstoff produzieren.

Einige Jahre später, im Jahr 1794, entdeckte der französische Chemiker Antoine Lavoisier (links) das Konzept der Oxidation, wurde aber kurz darauf in der Französischen Revolution  exekutiert, weil er Anhänger der Monarchie war. Der Richter, der das Urteil sprach, sagte: „Die Republik hat keinen Bedarf an Wissenschaftlern.“

So fiel es einem Niederländer, Jan Ingenhousz (links), der Hofarzt der österreichischen Kaiserin war, zu, die nächste große Entdeckung zum besseren Verständnis der Photosynthese zu machen. Er hatte von Priestleys Experimenten gehört, und verbrachte einige Jahre später einen Sommer nahe London, um über 500 Experimente durchzuführen. Durch sie fand er heraus, dass Licht eine wichtige Rolle bei der Photosynthese spielt.

„Ich beobachtete, dass Pflanzen nicht nur das Vermögen besitzen, schlechte Luft in sechs bis zehn Tagen zu korrigieren, indem sie darin wachsen…sondern dass sie dies wichtige Geschäft in kompletter Form in wenigen Stunden verrichten; dass dieser wundervolle Ablauf nicht infolge der Pflanzenvegetation geschieht, sondern durch den Einfluss der Sonne auf die Pflanze.“

Weitere Stücke des Puzzles wurden schon bald darauf von zwei in Genf arbeitenden Chemikern  gefunden. Jean Senebier, ein schweizerischer Pastor,  fand heraus, dass „verbrauchte Luft“ (CO2) während der Photosynthese aufgenommen wird, und Theodor de Saussure entdeckte, dass der benötigte Reaktionspartner Wasser ist. Der finale Beitrag zur Geschichte kam von einem deutschen Chirurgen, Julius Robert Mayer (rechts), der erkannte, dass Pflanzen Sonnenenergie in chemische Energie umwandeln. Er sagte:

„Die Natur hat sich selbst die Frage gestellt, wie fliehendes Licht, das zur Erde strömt, eingefangen und die am schwersten fassbare Kraft in fester Form gespeichert werden kann. Die Pflanzen nehmen eine Form von Kraft, Licht; und produzieren eine andere Kraft, chemische Differenz.“

Die tatsächliche chemische Gleichung, die stattfindet, ist die Reaktion zwischen Kohlendioxid und Wasser, die durch das Sonnenlicht katalysiert wird. Dabei wird neben Glukose auch ein Abfallprodukt hergestellt, Sauerstoff. Der Glukosezucker wird entweder als direkte Energiequelle von der Pflanze für ihren Stoffwechsel oder ihr Wachstum genutzt, oder sie polymerisiert den Zucker in Stärke, die dann gespeichert werden kann, bis sie benötigt wird. Das Abfallprodukt namens Sauerstoff wird in die Atmosphäre ausgeschieden, wo andere Pflanzen und Tiere es zum Atmen gebrauchen.

Chlorophyll als Photorezeptor

Chlorophyll ist das Molekül, das ‘die am schwersten fassbare Kraft’ einfängt – und wird als Photorezeptor bezeichnet. Aufzufinden ist es in den Chloroplasten grüner Pflanzen, und es ist das, was eine grüne Pflanze grün macht. Die Basisstruktur eines Chlorophyllmoleküls ist ein Porphyrinring, koordiniert zu einem zentralen Atom. Strukturell ähnelt dies der Häm-Gruppe im Hämoglobin, nur dass das zentrale Atom in Häm Eisen ist, während es in Chlorophyll Magnesium ist.

Datei: 3D-Struktur

Tatsächlich gibt es beim Chlorophyll zwei Haupttypen, genannt a und b. Sie unterscheiden sich nur geringfügig in der Zusammensetzung einer Seitenkette, bei a ist es -CH3, in b ist es CHO). Beide Chlorophyllarten sind sehr effektive Photorezeptoren, denn sie enthalten ein Netzwerk alternierender Einzel- und Doppelbindungen, und die Orbitale können delokalisieren und stabilisieren die Struktur. Solche delokalisierten Polyene besitzen sehr starke Absorptionsbande in den sichtbaren Bereichen des Spektrums und erlauben es der Pflanze, dem Sonnenlicht Energie zu entziehen.

Die verschiedenen Seitengruppen in den beiden Chlorophyllarten führen zu geringfügig unterschiedlichen Absorptionsspektren auf unterschiedlichen Wellenlängen. Licht etwa, das bei 460nm von Chlorophyll a nicht gut absorbiert werden kann, wird stattdessen von Chlorophyll b eingefangen, welches bei dieser Wellenlänge sehr stark absorbiert. So ergänzen sich beide Chlorophyllarten beim Absorbieren des Sonnenlichts. Pflanzen können all ihre Energie aus den blauen und roten Bereichen des Spektrums beziehen. Nichtsdestotrotz gibt es einen großen Spektralbereich, zwischen 500-600nm, aus dem sehr wenig Licht absorbiert wird. Dieses Licht ist im grünen Bereich des Spektrums, und da es reflektiert wird, erscheinen Pflanzen grün. Chlorophyll absorbiert so stark, dass es andere, weniger intensive, Farben überdecken kann. Einige dieser zarteren Farben (von Molekülen wie Karotin und Quercetin) werden offenbar, wenn das Chlorophyllmolekül sich im Herbst zersetzt und die Wälder rot, orange und goldbraun werden. Chlorophyll kann auch zerstört werden, wenn die Pflanzen gekocht werden, da das zentrale Mg-Atom durch Wasserstoffionen ersetzt wird. Dies beeinflusst die Energielevel im Molekül und ändert das Absorptionsspektrum. So ändern gekochte Blätter ihre Farbe – oft werden sie fahl und blass gelblich-grün.

Wenn das Chlorophyll in den Blättern im Herbst abgebaut wird, vergeht die grüne Farbe und wird vom Orange und Rot der Karotinoide ersetzt.

Chlorophyll in Pflanzen

Das Chlorophyllmolekül ist der aktive Teil, der das Sonnenlicht absorbiert, aber wie beim Hämoglobin braucht es dafür (zum Synthetisieren von Kohlenhydraten) die Hilfe eines äußerst komplizierten Proteins. Dieses Protein mag in seiner Art willkürlich und planlos wirken, doch es besitzt exakt die richtige Struktur, um die Chlorophyllmoleküle in die optimale Position auszurichten, sodass diese mit nahen  CO2- und H2O-Molekülen effizient reagieren können. Mehrere Chlorophyllmoleküle halten sich in diesem bakteriellen Photorezeptorprotein versteckt (rechts).

Quellen:

• Introduction to Organic Chemistry, Streitweiser and Heathcock (MacMillan, New York, 1981).
• Biochemistry, L. Stryer (W.H. Freeman and Co, San Francisco, 1975).
• Wikipedia – Chlorophyll