Chlorophyll

Struktur

"Chlorophyll" ist ein Sammelbegriff für verschiedene grüne Blattfarbstoffe, gemeinhin auch als "Blattgrün" bekannt. Es gibt verschiedene Chlorophylle, die wohl bekanntesten sind Chlorophyll a und b.

Chlorophyll a und b
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende.

Chemisch gesehen bestehen die Chlorophylle aus einem Porphin-Ring, der einige Substituenten besitzt: An Position 2, 12 und 18 des Porphin-Ringes befindet sich eine Methylgruppe, an Position 8 eine Ethylgruppe. Das C-Atom 17 des Porphin-Ringes D ist mit einem Propansäure-Rest verbunden, der seinerseits mit einem Phytol-Molekül verestert ist. Phytol ist ein langkettiger und mehrfach verzweigter ungesättigter Alkohol mit 16 C-Atomen.

Chlorophyll a und b unterscheiden sich durch den Substituenten an dem C-Atom 7 des Porphin-Ringes. Beim Chlorophyll a sitzt dort eine Methylgruppe -CH₃, bei Chlorophyll b eine Formylgruppe -CHO.

Interessant ist das Magnesium-Ion Mg²⁺ in der Mitte des Porphyrin-Rings. Teils ist es kovalent an zwei Stickstoff-Atome gebunden, teils über koordinative Bindungen an die beiden anderen N-Atome des Porphin-Ringes.

Bedeutung und Vorkommen

Lokalisierung der Chlorophyll-Moleküle in der Membran der Thylakoide
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Die Chlorophylle befinden sich in der Thylakoid-Membran der Chloroplasten. Sie sind für die Absorption von Licht verantwortlich, das dann für die Lichtreaktion der Photosynthese benötigt wird. Vor allem wird blaues Licht und rotes Licht absorbiert. Blaues Licht, weil diese Farbe recht stark im Sonnenlicht vertreten ist, und rotes Licht, weil dieses Licht im Schatten stark vertreten ist. So können die Blätter sowohl im Sonnenlicht wie auch im Schatten Photosynthese betreiben.

Chlorophyll a ist das wichtigste Chlorophyll, es kommt in allen Lebewesen vor, die Photosynthese betreiben und dabei Wasser-Moleküle in Sauerstoff und chemisch gebundenem Wasserstoff zersetzen (Photolyse). Bei den höheren Pflanzen (und einigen wenigen Algen) kommt auch noch Chlorophyll b vor, hat aber einen Anteil von nur ca. 25%. Einige Algen haben Chlorophyll c statt Chlorophyll b. Blaualgen (Cyanobakterien) und Rotalgen besitzen ausschließlich Chlorophyll a ^[2].

Photosynthetisch aktive Bakterien besitzen ein eigenes Chlorophyll, und zwar das sogenannte Bakteriochlorophyll. Dieses unterscheidet sich nur etwas von dem Chlorophyll a der höheren Pflanzen.

Interessant ist hier die Tatsache, dass die Biosynthese von Bakteriochlorophyll über Chlorophyll a als direkte Vorstufe abläuft. Das nur bei höheren Lebewesen vorkommende Chlorophyll a ist also die chemische Vorstufe des nur bei Prokaryoten vorkommenden Bakteriochlorophylls. Evolutionsbiologisch ist das nicht einfach zu erklären, dass die "ältere" Version aus der "neueren" Version produziert wird. Hierzu gibt es mehrere konkurrierende Hypothesen ^[4].

Lichtabsorption

In der Abbildung 1 ist das System delokalisierter pi-Elektronen blau unterlegt. Solche Systeme aus vielen konjugierten C=C-Doppelbindungen haben einen sehr geringen Abstand zwischen dem höchsten besetzten Molekülorbital und dem niedrigsten unbesetzten Molekülorbital (HOMO-LUMO-Abstand). Die Elektronen des HOMOs (highest occupied molecular orbital) können daher recht leicht durch sichtbares Licht angeregt werden, um in das LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) zu gelangen.

Chlorophyll a absorbiert vor allem rotes und blaues Licht, wie man dem Absorptionsspektrum einer Chlorophyll-Lösung leicht entnehmen kann.

Absorptionsspektrum von Chlorophyll a
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Eine Erklärung für diese "zweigipfelige" Absorption, die man mittlerweile auch in besseren Schulbüchern findet, sieht so aus:

Beschreibung
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Die Elektronen des nicht-belichteten Chlorophylls befinden sich in einem Grundzustand. Durch Absorption von rotem Licht (600 bis 700 nm) werden bestimmte Elektronen nun auf ein energetisch höheres Niveau gehoben, auf den sogenannten Singulettzustand S1.

Grünes Licht ist zwar energiereicher als rotes, wegen der Quantelung der Energiezustände bewirkt grünes Licht aber keinen Elektronenübergang. Die Energie des eingestrahlten Lichts muss genau der Energie entsprechen, die für die Übergang von einem Energieniveau zum anderen erforderlich ist. Etwas weniger oder etwas mehr Energiegehalt hat dann keine Wirkung.

Für den Übergang vom Grundzustand in den Singulettzustand S2 ist blaues Licht einer bestimmten Wellenlänge erforderlich (400 bis 480 nm).

Evolutionsbiologische/ökologische Erklärung der beiden Absorptionsmaxima

Warum das Chlorophyll hauptsächlich im blau-violetten und im roten-dunkelroten Bereich absorbiert, kann man vielleicht auch evolutionsbiologisch/ökologisch erklären. Im normalen Tageslicht kommen alle Wellenlängen des sichtbaren Lichtes vor, vor allem aber die Wellenlängen zwischen 450 und 500 nm, also blaues bis blaugrünes Licht. Das würde das blaue Absorptionsmaximum des Chlorophylls erklären, als Angepasstheit an das normale Tageslicht bei einem unbewölkten Himmel.

Im Pflanzenschatten dagegen hat das Licht einen hohen Rot- und Dunkelrot-Anteil, was durch die Lichtabsorption und Lichtstreuung der oberen Blätter verursacht wird. Damit könnte man das rote Absorptionsmaximum evolutionsbiologisch und ökologisch erklären ^{[5, S. 183]}.