Chlorophyll

Das Chlorophyll ist ein grüner Pflanzenfarbstoff, der chemisch verwandt mit dem roten Blutfarbstoff Hämin ist. Das Chlorophyll ist stets an die Chloroplasten als Farbstoffträger gebunden. Seine Aufgabe ist der Einbau des Kohlenstoffs aus dem Kohlendioxid der Luft in den Pflanzenkörper mit Hilfe des Sonnenlichts.

Chlorophyll ist eigentlich ein Farbstoffgemisch aus zwei Komponenten: dem blaugrünen Chlorophyll a und dem gelbgrünen Chlorophyll b, die etwa in einem Mengenverhältnis von 3:1 auftreten. Chlorophyll a ist das eigentlich photosynthetisch aktive Pigment. Es absorbiert die blauen und roten Wellenlängen des sichtbaren Lichtes. Chlorophyll b ist ein akzessorisches Pigment: es dient nur der Lichtsammlung und ist an der Energieumwandlung nicht direkt beteiligt. Sowohl das  Absorptionsspektrum als auch die Strukturformel ähneln denen von Chlorophyll a.

Aufbau

Chemischer Aufbau des Chlorophyll-Moleküls

Der wichtigste Bestandteil des Chlorophyll ist der Porphyrinring mit dem Magnesium-Ion Mg(2+) als Zentralion. Der aus vier aromatischen, heterozyklischen Fünfringen (I bis IV) gebildete Porphyrinring besitzt 11 konjugierte Doppelbindungen mit leicht anregbaren pi-Elektronen. Dieser Molekülabschnitt ist daher maßgeblich für Lichtabsorption und Farbigkeit verantwortlich.

Das pi-Elektronensystem absorbiert vor allem Lichtquanten der Wellenlängen 430 nm bis 470 nm (blaues und blaugrünes Licht) sowie 640 nm bis 660 nm (orangerotes Licht). Aus den Wechselwirkungen der p-Orbitale in diesem Molekülabschnitt ergibt sich eine ringförmige pi-Elektronenwolke. Durch Absorption eines Lichtquants können Elektronen dieses System auf das energetisch höherliegende pi-Orbital gebracht werden.

Extrahiert und belichtet man Chlorophyll aus zerriebenen Blättern mit einem Lösungsmittel, so leuchtet die Lösung rot auf; sie  fluoresziert. Ein Teil der eingestrahlten Lichtenergie wird dabei durch die Chlorophyll-Moleküle wieder abgestrahlt. Der Rest wird in Wärme umgewandelt. Das  Fluoreszenzlicht weist darauf hin, dass Chlorophyll invitro seine Fähigkeit verliert, Lichtenergie in freie Reaktionsenthalpie umzuwandeln.

Der Propansäurephytylester - als Kohlenwasserstoff-Seitenkette des Pyrolrings IV - verleiht dem Chlorophyll lipophile Eigenschaften und ist für dessen gute Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln verantwortlich. Da der Porphyrinring hydrophile Eigenschaften zeigt, besitzt das Chlorophyll-Molekül auch polaren Charakter. Dies ist bedeutungsvoll für die Orientierung der Moleküle in den  Thylakoidmembranen der Chloroplasten.

Der Phytylrest kann eng mit Phospholipid- oder Carotinoid-Molekülen der Membran verknüpft werden, der Porphyrinring dagegen eher Protein-Molekülen zugewandt sein.

Absorptionsspektrum & Engelmann'scher Bakterienversuch

Photosyntheseleistung

Die Pflanze kann aus dem Spektrum des sichtbaren Lichts nur bestimmte Wellenbereiche für die Photosynthese nutzen. Welche Bereiche des Spektrums wirksam sind, lässt sich zum Beispiel mit dem Bakterienversuch von Engelmann demonstrieren.

Engelmann projizierte ein durch ein Prisma erzeugtes Spektrum auf einen Algenfaden. Je stärker nun die photosynthetische Wirksamkeit eines bestimmten Spektralbereichs war, desto mehr Sauerstoff entstand an diesem Abschnitt durch die  Photosynthese.

Zugesetzte, sauerstoffliebende Bakterien vermehrten sich besonders stark an Stellen, an denen reichlich Sauerstoff vorhanden war. Die Menge der Bakterien kann also als Maß für die Photosyntheseleistung hergenommen werden.

Man stellt fest, dass der Bereich größter photosynthetischer Aktivität und damit das Absorptionsmaximum im roten Bereich des Farbspektrums liegt. Blaue Strahlung wird ebenfalls sehr stark absorbiert, ist aber photosynthetisch etwas weniger wirksam.