Photosynthetisch aktive Pigmente, ihre Bedeutung für ... - Ladamer

Photosynthetisch aktive 

Pigmente, 

ihre Bedeutung für den 

Stoffgewinn 

und ihre Messung 

30.05.06 Judith Mazur, ABG 1

Gliederung 

1. Photosynthese allgemein 

1.1. Lichtreaktion 

1.2. Dunkelreaktion 

1.3. Zusammenfassung der Photosynthese 

2. Photosynthetisch aktive Pigmente 

2.1. Innenstruktur der Chloroplasten 

2.2. Photosynthesepigmente 

2.3. Antennenfunktion 

2.4. Energietransfer in den Antennen 

3. Extraktion und Trennung der Pigmente 

4. Fazit 


Photosynthese 

allgemein Bei Photosynthese: Licht in 

chemische Energie umgewandelt 

geteilt in Licht- und Dunkelreaktion 


Lichtreaktion Photonen werden 

reflektiert (weißer Körper) Körper 

absorbiert (schwarzer Körper) oder 

transmittiert (z.B.Fensterscheibe) 

Pigmente absorbieren Licht 

Durch Absorption von Photonen 

werden Elektronen angeregt 

Aufgenommene Energie kann 

entweder wieder abgeben werden 

(Emission von Wärme oder Licht) 

Oder wird in chemisch gebundene 

Energie umgewandelt (z. B. 

Photosynthese) 

1. Photosynthese 

allgemein 



Lichtreaktion 

Z-Schema 

Mohr, Schopfer: 

Pflanzenphysiologie 


Lichtreaktion 

Nichtzyklischer Elektronentransport 

Isoliertes Chlorophyll kann zwar 

Photonen absorbieren, aber nicht 

speichern 

Energie wird weiter geleitet, bis eine 

stabile energiereiche Verbindung 

entsteht (NADPH) 

Dieser Prozess wird als 

nichtzyklischer Elektronentransport 

bezeichnet 


Lichtreaktion 


Lichtreaktion 


Lichtreaktion 

Fazit: 

Pro 4 Photonen werden 2 NADPH 

gebildet, die Elektronen werden 

vom Wasser gespendet 

"Neben- Neben- und Abfallprodukte" 

Abfallprodukte" 

sind 

Protonen und Sauerstoff 

Lichtinduzierten Reaktionen sind 

temperatur-unabhängig 


Dunkelreaktion oder Calvin-Zyklus 


allgemein 


1.2. DunkelDunkelreaktion Energiequelle in Dunkelreaktion sind 

die in Lichtreaktion gebildeten 

energiereichen Produkte ATP und 

NADPH 

Mehrstufiger Zyklus der Fixierung 

und Reduktion des Kohlendioxids 

findet im Stroma der Chloroplasten 

statt 

Dunkelreaktion ist temperaturtemperaturabhängig 


Zusammenfassung der Photosynthese 

Lichtreaktion: 

12 H O 2O + 12 NADP + + 18 (ADP + P ) i 

6 O + 2 + 12 NADPH+H + + 18 ATP 

Dunkelreaktion: 

6 CO + 2 + 12 NADPH+H + + 18 ATP 

C H O + 6 12 6 + 12 NADP + + 18 (ADP + P i ) 

+ 6H O 2 

Gesamtreaktion: 

6 H O 2O + 6 CO 2 C H 6 12 

12 O 6 

+ 6 O 2 



Pigmente 

Pigmente sind: 


allgemein 


1.2. Dunkelreaktion 

1.3. ZusammenZusammenfassung 

2. Photosynthetisch 

aktive Pigmente 

Photorezeptormoleküle für den 

sichtbaren Spektralbereich 

Sie absorbieren im Bereich 

zwischen 320-760nm selektiv 

Photonen 

sind ausgezeichnet durch ein 

ausgedehntes π-Elektronen- 

-Elektronen- 

system (π-e --system) -system 




http://miless.uni-duisburg-essen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-http://miless.uni-duisburg-essen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate- 

11014/folie230-255.pdf 




Farbstoff höheren Pflanzen haben 

verschiedene Funktionen: 

1. Absorption + Übertragung von Energie 

für Photosyntheseapparat 

2. Herstellung optischer Kommunikation 

zwischen Pflanze und Tier 

(Signalfunktion; Blütenfarbstoff, 

Farbstoffe in Samen und Früchten) 

3. Absorption unerwünschter Strahlung 

(Lichtfilterfunktion) 




Für alle 3 Funktionen ist relativ hohe 

Konzentration der Pigmente 

erforderlich 

Massenpigmente Massenpigmente (z.B. grüne Chl, 

rote Anthocyane, gelbe Carotinoide) 

Im Gegensatz dazu: 

Sensorpigmente (in geringer 

Konzentration) 




Funktion der Sensorpigmente: 

1. Optimierung der pflanzlichen Entwicklung 

und Reproduktion im durch 

Entwicklungshomöostasie vorgegebenen 

Rahmen 

2. optimale Modulation des pflanzlichen 

Verhaltens (Photonastien, 

Phototrophismen, interzelluläre 

Bewegungen) 

Sensorpigmente: Sensorpigmente: Phytochrom, 

Cryptochrom, UV-B-Photosensor 


Innenstruktur der Chloroplasten 


allgemein 

2. Photosynthetisch 

aktive Pigmente 

2.1. Innenstruktur 

Chloroplasten 

Chloroplasten sind aus einer 

Doppelmembran in der Hülle 

aufgebaut 

Binnenraum enthält Grana-thylakoide 

= flachgedrückte, gestapelte 

Doppelmembranen 

Außerdem sind Stroma-thylakode 

enthalten 

sie sind großflächigere, nicht 

gestapelte Doppelmembranen 

stellen die Verbindung zwischen den 

Grana dar 



http://www.guidobauersachs.de/bc/photosynthese.html 



7 nm dicke Thylakoidmembran ist der Ort 

der photosynthetischen Lichtreaktion 

Beherbergt die Photosynthesepigmente 

und Enzyme der Elektronentransport- 

kette und der Photophosphorylierung. 

Setzt sich zu je 50% aus Lipiden und 

Proteinen zusammen 

deswegen wahrscheinlich sehr 

plastisch (fluid-mosaic-membran-modell) 

Proteine sind v.a. Enzymproteine und 

Pigment-Protein-Komplexe 



Photosynthesepigmente sind: 

Chlorophyll a (Chl-a), Chl-b, 

mehrere Carotinoide: β-Carotin, -Carotin, 

α-Carotin -Carotin 

Xanthophylle: Lutein, Violaxanthin, 

Neoxanthin, u.a. 


Photosynthesepigmente 

1. PhotoPhotosynthese allgemein 

2. PhotoPhotosynthetisch aktive 


2.1. InnenInnenstrukturChloroChloroplasten 2.2. PhotoPhotosynthese pigmente 

Chlorophyll: Chlorophyll: 

zentrale Photosynthesefarbstoff 

absorbiert Licht der Wellenlängen


http://www.succulent 

plant.com/misc/chlorophyll.gif 



http://www.egbeck.de/skripten/12/bs12-http://www.egbeck.de/skripten/12/bs12- 

12.htm 

http://www.tgs 

chemie.de/stoffwechsel1.htm 



http://www.egbeck.de/skripten/12/bs12-12.htm 


Antennenfunktion 




2.1. InnenInnenstrukturChloro- plasten 

2.2. PhotoPhotosynthese pigmente 

2.3. 

AntennenAntennenfunktion Verhältnis von Chl-a:Chl-b in höheren 

grünen Pflanzen 3:1 

Nur Chl-a ist Bestandteil der 

photosynthetischen Reaktionszentren 

Aber es absorbiert wenig grünes Licht 

=“Grünlücke“ 

nur teilweise durch Chl-b gefüllt 

Chl-b hat Antennenfunktion die von 

Chl-b absorbierte Lichtenergie kann auf 

das Chl-a übertragen werden 



Quantenausbeute der Photosynthese 

[mol O / 2 / mol absorbierte Quanten] ist 

1/2400 O -Molekül 2-Molekül pro mol Quanten, 

wenn Licht so stark ist um alle 

Chlorophylle gleichzeitig anzuregen 

Bei weniger starkem Licht 

Quantenausbeute besser, bis sie sich 

theoretischen Wert 1/8 nähert [praktisch 

max. 1/9 (theor: 2 Reaktionszentren 

verbrauchen je 4 Photonen um 1 O 2 

freizusetzen)] 



Bessere Ausnutzung der Grünlücke: 

zusätzlich noch akzessorische Pigmente in 

Antennen: 

bei höheren Pflanzen: v.a. Carotinoide (v.a. 

β-Carotin) und Xanthophylle (Lutein, 

Violaxanthin) 

wichtige Funktion Carotinoide in Antenne: 

Schutz gegen schädlichen Triplettzustand 



Antennen: 

äußerer Teil = Lichtsammelkomplex 

(LHC = light harvesting complex) 

innerer Teil = Core- Core- 

Komplex 

sammelt auch Licht und 

leitet die durch LHC 

gesammelten Excitonen in 

Photosynthesereaktion 





um Chl-molekül anzuregen muß Photon mit 

bestimmten Energiegehalt im photosynthe- 

tischen Reaktionszentrum des Chl reagieren 

Wahrscheinlichkeit genauen Ort und richtige 

Energie zu treffen: sehr gering 

Effiziente Photosynthese nur möglich wenn 

Energie von Photonen verschiedener 

Wellenlängen über gewisse Fläche (durch ( durch 

Antennen) eingefangen wird 


Energietransfer in den Antennen 


allgemein 



2.1. Innenstruktur 

Chloroplasten 

2.2. PhotoPhotosynthese pigmente 

2.3. AntennenAntennenfunktion 2.4. 

Energietransfer 

in Antennen 

Schnelle (~ τ = 1/2 = 1ps, Pikosekunde), 

gerichtete Energiewanderung 

Energieleitung OHNE Aktivierungsenergie 

(noch bei 1°K nachgewiesen) 

Resonanztransfer auf Ebene der 

1.Singulett-Anregung (roter Bereich, S 1 ) 

durch oszillierendes elektrisches Feld 

des angeregten Elektrons 

1 e - im Grundzustand im 

Empfängermolekül wird in Resonanz 

versetzt (e - *) = S 1 -Zustand 



Vorraussetzung: präzise Orientierung der 

elektrischen Dipole und Überlappung der 

Elektronenwellen beider Moleküle 

sehr dichte, hochgeordnete Packung der 

Moleküle (Abstand zwischen Molekülzentren 

nur wenige nm) 

Elektronen wandern in Richtung des 

Energiegefälles zum Chl mit langwelligstem 

Absorptionsgipfel (=Energiefalle) 



Absorptionsbande des S -Zustandes 1-Zustandes dieses Chl 

ist nach 698-703 nm verschoben (P ) 700 Mohr, Schopfer: 




P (vom 700 (vom PSI) ist Energiefalle im Kollektiv 

hat keine Fluoreszenz 

zeigt lichtinduzierte Änderung des 

Absorptionsspektrum (Bleichung) 

charakteristisch für photochemisch aktive 


ist wahrscheinlich ein covalent 

P700 700 ist wahrscheinlich ein covalent 

verbundenes Chl-a-Dimer mit 

gemeinsamen π-e -e--system -system (möglicherweise 

kaskadenartig angeordnet begünstigt 

gerichteten Energietransfer) 



Antennen: Chl-a, -b, Carotinoide 

Direkter Elektronentransport: Chl-a ohne 

Mg 2+ = Phaeophytin 

PSI: Pigment: Chl-a-Antenne, β-Carotin, 

Xanthophyll 

PSII: Pigmente: Chl-a-Antenne, β-Carotin 

LHCI und LHCII (Lichtfangkomplexe von 

PSI und PSII): Chl-a-, Chl-b-Antennen 

Lutein, Neoxanthin, Oligomere 


Extraktion und Trennung der 


Pigmente sind mit Lipiden der Membran vermischt 

Blätter werden in Alkohol oder Aceton gelöst 

Pigmente trennen sich von organischer Lösung 

Chromatographie um Pigmente voneinander zu 

trennen 

Vorgänge müssen im 

Kalten und Dunklen 

durchgeführt werden 

sonst zerfällt Chl 

http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photo 

synthese-cours/04-pigments.htm 


Extraktion und Trennung der Pigmente 

Danach: bei Pigmente 

Absoptionsspektren gemessen 

http://www.tgs-chemie.de/stoffwechsel1.htm 


Extraktion und Trennung 

der Pigmente 




Extraktion und Trennung der Pigmente 

Auch andere molekulare Sonden helfen bei 

Strukturauflösung 

hemmen photosynthetischen 

Elektronentransport an bestimmten Stellen 

Thylakoidmembran ist sehr dynamisches 

System 

molekulare Zusammensetzung und 

Konformation wechseln schnell 


Fazit 

Funktion der meisten 

Photosynthesepigmente: 

Antennenpigment sammeln Lichtenergie 

in Richtung Reaktionszentrum Chl-a, Chl-b, 

Carotinoide, etc. 

Reaktionszentrum: nur Chl-a 

Lichtreaktion 

Schutzpigmente: Schutz vor Radikalen; z.B. 

Carotin gegen Triplettzustand der Chl´s 

Sensorigmente Entwicklung, 

Reproduktion, pflanzliches 

Verhalten/Bewegungen 




3. Extraktion 

+ Trennung 


4. Fazit 


Vielen Dank 

fürs zuhören! 


Literatur: 

Literatur: 

Mohr, Schopfer: Pflanzenphysiologie, 4.Auflage, 1992, Springer- 

Lehrbuch 

Heldt: Pflanzenbiochemie, 3. Auflage, 2003, Spektrum 

Akademischer Verlag 

http://gutenberg.biologie.uni 

konstanz.de/ringzb0506/Photosynthese_Biophysik.pdf 

http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/d24/24.htm 

http://www.cup.uni-muenchen.de/oc/mayr/Med04/S20.gif 

http://miless.uni-duisburgessen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-11014/folie230-essen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-11014/folie230 

255.pdf 

http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/ 

chemolumineszenz/chemolum.htm 


http://chloroplasten.defined.de 

http://www.tgs-chemie.de/stoffwechsel1.htm 

http://home.zhwin.ch/~kre/botanik/photo/photo.html 

http://www.succulent-plant.com/misc/chlorophyll.gif 

http://www.egbeck.de/skripten/12/bs12-12.htm 

http://www.krk-nutritherapeutika.de/bilder/carotin.jpg 

http://www2.arnes.si/~mborion4/fkg/seminar/capsicum.htm 

http://www.genome.ad.jp/Fig/compound_small/C13433.gif 

http://www.espy-es.de/schule/bio/FS2.pdf 

http://www.guidobauersachs.de/bc/photosynthese.html 

http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese-cours/08 

photosystemes.htm

Photosynthetisch aktive Pigmente, ihre Bedeutung für ... - Ladamer

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