Lichtabsorption und photosynthetische Pigmente Hendrik Küpper, Vorlesungsreihe Einführung in Bau und Funktion der Pflanzen, Sommersemester 2012
50% (absorbiert, zerstreut) 50% 0.023% 023% (Pflanzen)
Nur sichtbares Licht wird für die Photosynthese benutzt Ultraviolettes Licht ist zu energiereich (es zerstört die Moleküle) g ( ) Dunkelrotes Licht ist zu energiearm (wird von Wasser und organischen Molekülen absorbiert)
Die Energie des eingestrahlten Lichtes ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge E=h* η / λ
Wellenlänge nm Die Energie des eingestrahlten Lichtes ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge E = h * η / λ Lichtfarbe 700 dunkelrot 170 650 hellrot 183 600 gelb 199 550 grün 216 500 blaugrün 238 440 blau 271 400 violett 298 Energiegehalt kj/mol Photonen
Spektrum des Sonnenlichts Aus: Lawlor DW (1990) Thieme, Stuttgart, 377S
Photonenflussdichte (PFD) im sichtbaren Bereich (in Mitteleuropa, im Sommer, mittags) Sonne Regentag 1.700-2.000 µmol m -2 s -1 100-200 µmol m -2 s -1
Chlorophyll-Struktur Chlorophyll besteht aus einem Tetrapyrrolring (Porphyrin) mit Mg 2+ im Zentrum Grundbaustein:Pyrrol Por rpyrin-h hydroph hil Phytol-hydrophob yd op ob 1915 Richard Willstätter: Strukturaufklärung des Chlorophylls 1960 Robert Woodward: d Synthetisiert ti i t Chl
Delokalisierte Doppelbindungen im Porphyrin Die Lage der Einfach und Doppelbindungen ist nicht festgelegt
Abstimmung der Absorptionsbanden (I) Übersicht über die wichtigsten Typen von Chlorophyllen Chlorophyll op a Chl b Chl c 1 Chl d Chl f N N Mg 2+ N N COOC 20 H 39
Abstimmung der Absorptionsbanden (II) Phototrophe Bakterien besitzen Bakteriochlorophylle anstelle von Chlorophyllen Chlorophylle und Bakteriochlorophylle sind evolutionär verwandt.
Wieso sind Pflanzen grün?
Abstimmung der Absorptionsbanden (III) Aus: Lawlor DW (1990) Thieme, Stuttgart, 377S Aus: Barber J (1978) Rep Prog Phys 41, 1158-99
Abstimmung der Absorptionsbanden (IV) Aus: Lawlor DW (1990) Thieme, Stuttgart, 377S
Was passiert, wenn Chlorophyll Licht absorbiert? S2 Wärmeabgabe S1 h ν h νν Wärmeabgabe T1 Photochemie Absorption Phosphoreszenz Wärmeabgabe Absorption Wärmeabgabe Fluoreszenz S0 Chlorophyll
Die Absorptions- und Fluoreszenz-Spektrum von Chlorophyll a Chlorophyll zeigt nur eine rote Fluoreszenz, weil die höhere Energie des Blaulichtes (Absorption bei ca. 430nm) als Wärme verloren geht.
Wirkungsspektrum der Photosynthese (die Effektivität ität der Lichtnutzung t in den verschiedenen Spektralbereichen) Versuch von Theodor Wilhelm Engelmann (1883) Aus: de.wikipedia.org
Chlorophyll- Biosynthese 1 = GlutamyltRNA Synthetase 4 = 5-aminolevulinic li i acid (ALA)- Dhd Dehydratase 5 = Porphobilinogen (PBG) Deaminase 6 = Uroporphyrinogen III- Synthase 7 = Uroporphyrinogen p III- Decarboxylase Aus: Tanaka R, Tanaka A (2007) Ann Rev Plant Biol 58, 321-346
Chlorophyll-Biosynthese (II) Häme Phycobiline 9= Protoporphyrinogen IX- Oxidase (PPOX) 10= Magnesium-Chelatase 15= Chlorophyll-Synthase 16 = Chlorophyllide a oxygenase (CAO) 17 = Chlorophyllase Aus: Tanaka R, Tanaka A (2007) Ann Rev Plant Biol 58, 321-346
Chlorophyll (Tetraprrolring mit Mg) und Häm (Tetrapyrrolring mit Fe) QuickTime and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture. Chloroplasten Hemoglobin in Erythrocyten Cytochrom
Phycobiline sind offene Tetrapyrrole ohne Mg und Phytol Vergleich: geschlossener Tetrapyrrolring der Chlorophylle
Absorptionsspektren der Phycobiline (sie schliessen die "Grünlücke" der Chlorophylle) Beispiel: Phycobiline aus Trichodesmium Phycourobilin- isoformen Absorp ption 450 500 550 600 650 700 750 Wavelength / nm Car s Rotmaximu um) Absor rption (norma alisiert auf da Phycourobilinisoformen (II) Phycoerythrinisoformen Phycocyaninisoformen lisiert auf das Rotmaximu um) Fluores szenz (norma PUB = Phycourobilin PE = Phycoerythrin PC = Phycocyanin APC = Allo- Phycocyanin Chl RC (Chl) Allophycocyanin Aus: Küpper H, Andresen E, Wiegert S, Šimek M, Leitenmaier B, Šetlík I (2009) Biochim. Biophys. Acta (Bioenergetics) 1787, 155-167
Arbeitsteilung der Pigmente Pi Primäre Pigmente der Photosynthese th (Direkt beim Elektronentransport beteiligt; Reaktionszentren) Chlorophyll a Bakteriochlorophyll a in bestimmten Cyanobakterien (Acaryochloris etc.): Chl d Hilfspigmente der Photosynthese (Leiten die Strahlungsenergie an die Primärpigmente; Antennen) Chlorophylle b, c1, c2, d in Rotalgen, f (Chl f gefunden in 2010 in Cyanobacterien von Stromatoliten; Chen et al., 2010, Science329) Bakteriochlorophylle b-g Phycobiline Carotinoide
Photosynthetische Pigmente: Gemeinsame Charakteristika (I) Von: www.chemgapedia.de
Warum sind die Tomaten rot? Weil deren Carotinoide violette, blaue und blaugrüne Lichtanteile absorbieren.
Absorptionspektren der Carotinoide (ein Hauptmaximum und zwei Nebenmaxima, alle im Blau- bis Grünlichtbereich) sorption Abs Aus: Küpper H, Seibert S, Aravind P (2007) Analytical Chemistry 79, 7611-7627 Wellenlänge (nm)
Grundbaustein: Isopren Carotinoide (Carotine und Xantophylle)
Isopentyl-Pyrophosphat (IPP) Dimethylallyl-Pyrophosphat (DMAPP) Carotinoid-Biosynthese Geranylgeranyl- l Pyrophosphat (GGPP) Phytoen Phytofluen ξ-carotin Grundbaustein: Isopren Neurosporen Lycopin γ-carotin β-carotin Zeaxanthin
Carotinoide schützen gegen Oxidation
Carotinoide schützen gegen Oxidation
Pflanzen ohne Carotinoide (z.b. Xantha-f10-Mutante) werden durch starke Lichteinstrahlung geschädigt
2. Photosynthetische Pigmente-Carotinoide Xanthophyllzyklus-Zeaxanthin h hi sorgt für eine bessere Energieableitung Schwachlicht Starklicht Schwachlicht Starklicht
Xanthophyllzyklus y - die Umwandlung von Violaxanthin über Antheraxanthin zu Zeaxanthin ist Lichtsammelantenne Violaxanthin- De-Epoxidase Zeaxanthin- Epoxidase Violaxanthin- De-Epoxidase Zeaxanthin- Epoxidase wandelt von Anregungsenergie in Wärme um Aus: Commons.wikimedia.org (vereinfacht)
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