Cytologie

Chlorophyll

Was ist Chlorophyll und in welchem Zusammenhang steht es zur Photosynthese? In diesem Beitrag erklären wir dir seinen Aufbau und seine Wirkung.

Schau dir gerne unser Video%Verweis zum Thema an, wenn du den Inhalt dieses Beitrags in Kurzform verstehen möchtest!

Inhaltsübersicht

Chlorophyll einfach erklärt

Chlorophyll ist ein natürlicher Farbstoff, den du in allen photosynthesetreibenden Organismen findest. Insbesondere in den Chloroplasten der Pflanzenzellen findest du viel davon. Auch einige Prokaryoten%Verweis betreiben Photosynthese und enthalten demnach sogenanntes Bacteriochlorophyll. Tierzellen hingegen enthalten kein Chlorophyll.
Da es in Pflanzen für die grüne Farbe der Blätter verantwortlich ist, kannst du es auch mit dem Namen Blattgrün bezeichnen.

Die Grundstruktur des Chlorophylls ist eine komplexe Verbindung namens Chelat.
Je nachdem, wie das Chelat aufgebaut ist, kannst du zwischen mehreren Chlorophylltypen unterscheiden. Diese besitzen dabei unterschiedliche Absorptionsspektren. Das bedeutet, dass sie unterschiedliche Bereiche des Lichts aufnehmen können.

Chlorophylle bilden sich nur in Organismen, die Photosynthese betreiben. Sie erfüllen dabei wichtige Funktionen. So absorbieren sie Lichtenergie und wandeln diese in chemische Energie in Form von ATP für die Photosynthese um.

Definition

Chlorophyll (Blattgrün) ist ein natürlicher Farbstoff in Pflanzenzellen. Sein Name setzt sich aus dem griechischen chlōrós („hellgrün“) und phýllon („Blatt“) zusammen.

Chlorophyll Aufbau

In den Pflanzenzellen findest du das Chlorophyll insbesondere innerhalb der sogenannten Thylakoide in den Chloroplasten. In den Prokaryoten liegt es im Cytoplasma .

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Thylakoide

Das Chlorophyll kann in diesen Zellbestandteilen über eine sogenannte Biosynthese selbst hergestellt werden. Hierfür sind einige komplexe Schritte mit verschiedensten Enzymen notwendig. Die Biosynthese ist jedoch von einer Lichteinstrahlung abhängig. Ohne diese kann kein Chlorophyll hergestellt werden.

Den Abbau von Chlorophyllen hast du sicher schon einmal selbst bemerkt, insbesondere im Herbst. Hier verlieren die Blätter ihre grüne Farbe und färben sich braun.

Chlorophylle bestehen in seiner Grundstruktur aus dem Porphyrin (C_{20} H_{14} N_4). Das kannst du dir als ein Molekül aus vier sogenannten Pyrrol Ringen vorstellen, an das unterschiedliche Reste angehängt werden. (= Derivatisierung).

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Pyrrol-Ringe und Porphyrin

Zu diesen sogenannten Derivaten gehören nicht nur die Chlorophylle, sondern auch der Bestandteil Häm des Hämoglobins im Blut einiger Lebewesen. Das Häm verleiht dem Blut seine rote Farbe. Das Chlorophyll und das Hämoglobin unterscheidet aber insbesondere ihr Zentralion: Während das Häm ein Eisenion (Fe^{2+}) in seiner Mitte enthält, besitzt das Chlorophyll ein Magnesiumion (Mg^{2+}).

Diesen Derivatkomplex mit einem Zentralion kannst du eben als Chelat bezeichnen. Das Chlorophyllmolekül besteht, im Gegensatz zu dem Grundgerüst, aus fünf statt nur vier Ringen.

Je nachdem, aus welchen Resten die Struktur besteht, kannst du wie erwähnt zwischen verschiedenen Chlorophylltypen unterscheiden.

Absorptionsspektrum Chlorophyll

Die verschiedenen Arten von Chlorophyll-Molekülen unterscheiden sich durch ihre individuellen Strukturen insbesondere in ihrem sogenannten Absorptionsspektrum. Darunter kannst du dir die Fähigkeit vorstellen, Licht zu absorbieren/aufzunehmen. Die nicht absorbierten Bereiche werden entsprechend reflektiert.

Insbesondere in Lösungsmitteln wie Ethanol, Aceton oder Diethylether kann das Chlorophyll ihr Absorptionsmaximum erreichen. Das Absorptionsspektrum kannst du durch verschiedene Frequenzbereiche (Wellenlängen) beschreiben.

Nachfolgend geben wir dir zwei wichtige Beispiele von Chlorophyll-Molekülen inklusive ihrer Strukturformel.

Chlorophyll a

Chlorophyll a absorbiert insbesondere in den Frequenzbereichen zwischen 600 und 700 nm (rotes und gelbes Licht) und zwischen 400 und 470 nm ((dunkel)blaues Licht) sehr gut. Der Bereich des grünen-grünblauen Lichts (470-600 nm) wird vom Chlorophyll a reflektiert. Genau aus diesem Grund nehmen wir es mit einer grünblauen Farbe wahr. Es kommt insbesondere in den sogenannten Cyanobakterien vor. Diese Bakterien sind in der Lage, eine oxygene Photosynthese zu betreiben. Das wichtige Merkmal einer oxygenen Photosynthese ist die Produktion von Sauerstoff. Im Gegensatz dazu steht die anoxygene Photosynthese mancher Bakterien, bei der andere anorganische Stoffe gebildet werden.

Absorptionsspektrum, Chlorophyll a
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Absorptionsspektrum Chlorophyll a

Seine Strukturformel sieht wie folgt aus:

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Chlorophyll a Strukturformel

Chlorophyll b

Chlorophyll b absorbiert insbesondere viel blaues und rotes Licht. Es reflektiert dabei grünes und gelbes Licht, wodurch es ein Betrachter als gelbgrün wahrnimmt.
Chlorophyll b kommt insbesondere in sogenannten Grünalgen und allen Landpflanzen vor.

Absorptionsspektrum, Chlorophyll b
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Absorptionsspektrum Chlorophyll b
Chlorophyll b, Strukturformel
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Chlorophyll b Strukturformel

Chlorophylltypen Übersicht

Nachfolgend haben wir dir eine Übersicht der wichtigsten Chlorophylltypen inklusive ihrer Absorptionsmaxima und ihrem Vorkommen erstellt:

Chlorophylltyp Absorptionsmaxima Farbe Beispele Vorkommen
Chlorophyll a 430 nm, 662 nm (in Aceton) blaugrün Cyanobakterien
Chlorophyll b 454 nm, 643 nm (in Diethylether) gelbgrün Grünalgen, Landpflanzen
Chlorophyll c 444 nm, 576 nm, 626 nm grün Braunalgen, Kieselalgen, Goldalgen
Chlorophyll d 447 nm, 688 nm Rotalgen
Chlorophyll f 706 nm, 722 nm Cyanobakterien in Stromatolithen

Chlorophyll Wirkung

Chlorophylle haben innerhalb der Photosynthese verschiedenste Aufgaben. Ihre Hauptfunktion ist die Absorption von Licht (= Energie). Danach sind sie in der Lage, diese Energie in das sogenannte Reaktionszentrum weiterzuleiten. Dieses kannst du dir als den zentralen Bestandteil aus verschiedenen Proteinen in allen photosynthesetreibenden Organismen vorstellen. In ihm befinden sich zwei Chlorophylle (= special pair), welche die Energie annehmen können. Durch deren Anordnung trennt sich die Ladung auf und kann für den weiteren Verlauf der Photosynthese bereitgestellt werden.

Es ist in der Lage, die Lichtenergie in chemische Energie (ATP) umzuwandeln. Diese kann dann für die Photosynthese genutzt werden.

Um das Reaktionszentrum liegen die sogenannten Lichtsammelkomplexe. Diese bezeichnen eine Ansammlung mehrerer Chlorophyllmoleküle. Dadurch steigt deren gemeinsame Fläche und somit auch ihre Fähigkeit, Licht zu absorbieren.

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Lichtsammelkomplexe mit Reaktionszentrum

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