Chloroplasten - die Photosynthese-Fabriken der Zellen
Photosynthetische Pigmente
Pigmente sind chemische Verbindungen, die nur bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts reflektieren. Dadurch erscheinen sie in den reflektierten Wellenbereichen farbig. Durch Ihre Fähigkeit, das Licht der anderen Wellenlängen zu absorbieren, spielen viele Pigmente in der Natur eine große Rolle als Energie-Auffänger. Bei den Photosynthese betreibenden Organismen sind es primär diese Farbstoffe, die die Sonnenenergie auffangen und nutzbar machen. Da Pigmente typischerweise nur bestimmte Wellenlängen absorbieren, findet sich meist ein ganzes Ensemble verschiedener Farbstoffe, damit ein möglichst breiter Bereich des Sonnenspektrums ausgenutzt werden kann.
In der Photosynthese kommen drei wichtige Pigmentklassen vor:
1.) Die auf einem Porphyrin-Ring aufbauenden grünen Chlorophylle.
Das stabile ringförmige Porphyrin erlaubt es den Elektronen sich innerhalb des Ringes frei zu delokalisieren. Dadurch kann das konjugierte System erleichtert Elektronen aufnehmen und - auch im angeregten Zustand - wieder abgeben. Die Bedeutung des Chlorophylls für die Photosynthese wurde von Richard Martin Willstätter erkannt, der hierfür 1915 den Nobelpreis in Chemie erhielt. Ein weiterer Nobelpreis ging 1930 an Hans Fischer für die Aufklärung der Struktur des Chlorophylls. Das wichtigste Chlorophyll der Cyanobakterien und Pflanzen ist Chlorophyll a, das durch das Einfangen von Photonen angeregt werden kann. Ein zweites, nur bei Pflanzen (einschließlich den Grünalgen) vorkommende Chlorophyll wird als Chlorophyll b bezeichnet. Photosynthetisch aktive Eubakterien außer Cyanobakterien beinhalten vor allem Bakteriochlorophyll.
- Abb.1
- Die wichtigsten Chlorophylle
Die Bausteine und konjugierten Elektronensysteme der wichtigsten Chlorophylle. Nutzen Sie den Rollover, um die Strukturen der anderen Chlorophylle zu untersuchen, bzw. den Abspielknopf, um das konjugierte Elektronensystem (farbig unterlegt) der Porphyrine angezeigt zu bekommen!
2.) Carotinoide sind typischerweise rot, orange oder gelb gefärbte Pigmente. Sie erhielten ihren Namen nach β-Carotin, das der Karotte die orange-gelbe Farbe verleiht. Carotinoide bestehen aus zwei -Ringen, die über eine Kohlenwasserstoffkette miteinander verbunden sind. Durch die Struktur bedingt sind sie hydrophob und müssen in den Lipidmembranen der Zellen eingebaut werden. Carotinoide können die absorbierte Sonnenenergie nicht direkt in die Photosynthese einschleusen, sondern müssen die aktivierten Elektronen an das Chlorophyll abgeben. Sie werden daher oft als akzessorische oder Antennenpigmente bezeichnet. Xanthophyll ist ein weiteres, gelb gefärbtes Carotinoid.
- Abb.2
- Wichtige Carotinoide
Die konjugierten Elektronensysteme zweier wichtiger Carotinoide. Nutzen Sie den Abspielknopf, um das konjugierte Elektronensystem (farbig unterlegt) der Carotinoide angezeigt zu bekommen!
3.) Phycobiline sind wasserlösliche Pigmente der Cyanobakterien und Rotalgen (Rhodophyta). Sie kommen im Cytoplasma bzw. Stroma der Rotalgen-Chloroplasten vor und sind typischerweise an ein konjugiertes Protein gebunden. Phycocyanin besteht aus Polypeptid-Untereinheiten, an die das Licht-absorbierende bläuliche Phycocyanobilin kovalent gebunden ist. Der Gehalt an diesem Pigment ist namengebend für die Cyanobakterien oder Blaualgen. Analog hierzu ist der rötliche Chromophor Phycoerythrobilin an das rötliche Pigment-Protein Phycoerythrin gebunden und gibt den Rotalgen ihren Namen. Phycobiline erwiesen sich auch als wichtige Hilfsmittel in der Forschung, da sowohl Phycocyanin als auch Phycoerythrin bei einer bestimmten Wellenlänge fluoreszieren. Dadurch können sie als chemische Marker eingesetzt werden.
- Abb.3
- Wichtige Phycobiline
Die konjugierten Elektronensysteme zweier wichtiger Phycobiline. Nutzen Sie den Rollover, um die Struktur und das konjugierte Elektronensystem (farbig unterlegt) der anderen Phycobiline zu untersuchen!
Weiterführende Links:
Literatur
| Allen, J. P.; Williams, J. C. (1998): Photosynthetic reaction centers. In: FEBS Lett.. 438 , 1-2 |
| Cogdell, R. J.; Howard, T. D.; Bittl, R.; Schlodder, E.; Geisenheimer, I.; Lubitz, W. (2000): How carotenoids protect bacterial photosynthesis. In: Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci.. 355 , 1345-1349 |
| Glazer, A. N. (1979): Structure and evolution of photosynthetic accessory pigment systems with special reference to phycobiliproteins. In: UCLA Forum Med. Sci.. 21 , 221-244 |
| Guldi, D. M. (2002): Fullerene-porphyrin architectures; photosynthetic antenna and reaction center models. In: Chem. Soc. Rev.. 31 , 22-36 |
| Heathcote, P.; Fyfe, P. K.; Jones, M. R. (2002): Reaction centres: the structure and evolution of biological solar power. In: Trends Biochem. Sci.. 27 , 79-87 |
| Matile, P. (2000): Biochemistry of Indian summer: physiology of autumnal leaf coloration. In: Exp Gerontol.. 35 , 145-158 |
| Samsonoff, W. A.; MacColl, R. (2001): Biliproteins and phycobilisomes from cyanobacteria and red algae at the extremes of habitat. In: Arch. Microbiol.. 176 , 400-405 |
| Vershinin, A. (1999): Biological functions of carotenoids-diversity and evolution. In: Biofactors. 10 , 99-104 |
