Lichtabsorption undLichtabsorption und photosynthetische Pigmentephotosynthetische Pigmente

Hendrik Küpper, Vorlesungsreihe “Einführung in Bau und Funktion der Pflanzen”, Sommersemester 2012

50% (absorbiert, zerstreut)

50%

0 023% (Pflanzen)0.023% (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 LichtesDie Energie des eingestrahlten Lichtes ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge

E = h * η / λE = h η / λ

Die Energie des eingestrahlten Lichtes ist umgekehrt proportional zur Wellenlängeist umgekehrt proportional zur Wellenlänge

E = h * η / λWellenlängenm

Lichtfarbe EnergiegehaltkJ/mol Photonen

700 dunkelrot 170

650 hellrot 183650 hellrot 183

600 gelb 199

550 grün 216

500 blaugrün 238

440 blau 271

400 violett 298400 violett 298

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-StrukturChlorophyll besteht aus einem Tetrapyrrolring (Porphyrin) mit Mg2+ im Zentrum

hil

hydr

oph

Grundbaustein:Pyrrol

rpyr

in-h

Por

Phytol-hydrophobyto yd op ob

1915 Richard Willstätter: Strukturaufklärung des Chlorophylls1960 R b t W d d S th ti i t Chl1960 Robert Woodward: Synthetisiert Chl

Delokalisierte Doppelbindungen im Porphyrin

Die Lage der Einfach und Doppelbindungen ist nicht festgelegt

Übersicht über die wichtigsten Typen von Chlorophyllen

Abstimmung der Absorptionsbanden (I)Übersicht über die wichtigsten Typen von Chlorophyllen

Chlorophyll a Chl bC o op y a Chl b

Chl f

N N

Chl c1 Chl d

N N

NNMg2+

COOC20H39

Phototrophe Bakterien besitzen Bakteriochlorophylle anstelle von Chlorophyllen

Abstimmung der Absorptionsbanden (II)Phototrophe Bakterien besitzen Bakteriochlorophylle anstelle von Chlorophyllen

Chlorophylle und Bakterio-chlorophylle sind evolutionär verwandtverwandt.

Wieso sind Pflanzen grün?

Abstimmung der Absorptionsbanden (III)

Aus: Lawlor DWLawlor DW

(1990) Thieme, Stuttgart,

377S377S

Aus: Barber J (1978) Rep Prog Phys

41 1158-9941, 1158-99

Abstimmung der Absorptionsbanden (IV)

Aus: Lawlor DW (1990) Thieme, Stuttgart, 377S

Was passiert, wenn Chlorophyll Licht absorbiert?

S2S2

Wärmeabgabe

S1T1Wärmeabgabe

h·ν

h νAbsorption

WärmeabgabePhosphoreszenz

Photochemie

h·νAbsorption

Fluoreszenz

WärmeabgabeWärmeabgabe

S0

Chlorophyll

Die Absorptions- und Fluoreszenz-Spektrum von Chlorophyll a

Chlorophyll zeigt nur eine rote Fluoreszenz, weil die höhere Energiedes Blaulichtes (Absorption bei ca 430nm) als Wärme verloren gehtdes Blaulichtes (Absorption bei ca. 430nm) als Wärme verloren geht.

Wirkungsspektrum der Photosynthese(di Eff kti ität d Li ht t i d hi d S kt lb i h )(die Effektivität der Lichtnutzung in den verschiedenen Spektralbereichen)

Versuch von Theodor Wilhelm Engelmann

(1883)

Aus: de.wikipedia.org

Chlorophyll-Biosynthese

1 = GlutamyltRNA Synthetase4 5 i l li i id (ALA) D h d t4 = 5-aminolevulinic acid (ALA)- Dehydratase5 = Porphobilinogen (PBG) –Deaminase6 = Uroporphyrinogen III- Synthase7 = Uroporphyrinogen III- Decarboxylase

Aus: Tanaka R, Tanaka A (2007) Ann Rev Plant Biol 58, 321-346

p p y g y

Chlorophyll-Biosynthese (II)PhycobilineHäme PhycobilineHäme

9= Protoporphyrinogen IX-Oxidase (PPOX)

10= Magnesium-Chelatase15= Chlorophyll-Synthase16 = Chlorophyllide a

oxygenase (CAO)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)und Häm (Tetrapyrrolring mit Fe)

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Chloroplasten CytochromHemoglobin inChloroplasten CytochromHemoglobin in Erythrocyten

Phycobiline sind offene Tetrapyrrole ohne Mg und PhytolTetrapyrrole ohne Mg und Phytol

Vergleich:Vergleich: geschlossener Tetrapyrrolringder Chlorophyllep y

Absorptionsspektren der Phycobiline (sie schliessen die Phycourobilin-

Beispiel: Phycobiline aus Trichodesmium

Phycobiline (sie schliessen die "Grünlücke" der Chlorophylle)

yisoformen

Phycourobilin-isoformen

(II) um)

um)

ptio

n

( )

s R

otm

axim

u

s R

otm

axim

u

Abs

orp

Phycoerythrin-isoformen

lisie

rt a

uf d

as

alis

iert

auf

da

450 500 550 600 650 700 750

Phycocyanin-isoformen sz

enz

(nor

ma

rptio

n (n

orm

a

CarWavelength / nm

Fluo

res

Abs

or

AllophycocyaninPUB = Phycourobilin

PC = Phyco-cyanin

PE = Phyco-erythrin

ChlRC

(Chl)

APC =Allo-

Phyco-cyanin

Aus: Küpper H, Andresen E, Wiegert S, Šimek M, Leitenmaier B, Šetlík I

(2009) Biochim. Biophys. Acta (Bioenergetics) 1787, 155-167

Arbeitsteilung der PigmenteArbeitsteilung der Pigmente

P i ä Pi t d Ph t thPrimäre Pigmente der Photosynthese(Direkt beim Elektronentransport beteiligt; Reaktionszentren)

Chlorophyll aBakteriochlorophyll ain bestimmten Cyanobakterien (Acaryochloris etc.): Chl d

Hilfspigmente der PhotosyntheseHilfspigmente 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-gPhycobilineCarotinoideCarotinoide

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)(ein Hauptmaximum und zwei Nebenmaxima, alle im Blau- bis Grünlichtbereich)

sorp

tion

Abs

Aus: Küpper H, Seibert S, Aravind P (2007) Analytical Chemistry 79, 7611-7627

Wellenlänge (nm)

Carotinoide (Carotine und Xantophylle)

Grundbaustein: Isopren

Isopentyl-Pyrophosphat (IPP)Dimethylallyl-Pyrophosphat (DMAPP)

G l l

Carotinoid-Biosynthese

Geranylgeranyl-Pyrophosphat (GGPP)

yPhytoen

Phytofluen

ξ-Carotinξ

Neurosporen

Grundbaustein: Isopren

Lycopin

γ-Carotin

β-Carotin

Zeaxanthin

Carotinoide schützen gegen OxidationCarotinoide schützen gegen Oxidation

Carotinoide schützen gegen OxidationCarotinoide schützen gegen Oxidation

Pflanzen ohne Carotinoide (z.B. Xantha-f10-Mutante) werden durch starke Lichteinstrahlung geschädigt

X h h ll kl Z hi fü

2. Photosynthetische Pigmente-Carotinoide

Xanthophyllzyklus-Zeaxanthin sorgt für eine bessere Energieableitung

Schwachlicht Starklicht

Schwachlicht Starklicht

Xanthophyllzyklus - die Umwandlung von y y gViolaxanthin über Antheraxanthin zu Zeaxanthin

Zeaxanthin-Epoxidase

Violaxanthin-De-Epoxidase

ist LichtsammelantenneEpoxidaseDe Epoxidase

Zeaxanthin-Epoxidase

Violaxanthin-De-Epoxidase

Aus: Commons.wikimedia.org (vereinfacht)

wandelt von Anregungsenergie in Wärme um

Alle Dias meiner Vorlesungen können von meiner gArbeitsgruppen-Homepage heruntergeladen werden:

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