Photosynthesepigmente

ExperimentalvortragKatharina FritschMittwoch 19.12.2007Marburg

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Inhalt1. Photosynthese allgemein1.1 Photosynthesepigmente2. Chlorophyll2.1 Versuche zur Struktur von Chlorophyll3. Carotinoiden3.1 Versuche zur Struktur von Carotinoiden3.2 Carotin3.3 Xanthophylle4. Schulrelevanz

1. Photosynthese allgemein

Unter Photosynthese versteht man die Fähigkeit grüner Pflanzen und Bakterien mit Hilfe von Lichtenergie und anorg. Verbindungen org. Verbindungen zu synthetisieren

6 CO2 + 12 H2O hν C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2

Chloroplast

ΔG´m(ΔG0´) 0 +2872 kL/mol Hexose

4

½ Million Chloroplasten (CP) pro mm²

Meisten CP liegen im Mesophylls

CP sind gefüllt mit Thylakoidstapeln

Chlorophyll liegt in Thylakoidmembran

Das Blatt

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Eigenschaften des Sonnenlichts Elektromagnetisches

Spektrum

UV-vis: 270- 750 nm

ΔE= h•ν = hc/ λ

Energie umgekehrt proprtional zur Wellenlänge

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Chloroplast Chlorophyll absorbiert

rote und blaue Wellenlängen

Das „restliche“ Licht transmittiert

Daher erscheint der Chloroplast grün

“Grünlücke”

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Photosynthesepigmente

Chl. a ≈ 430/ 662 nm Chl. b ≈ 453/ 642 nm α Carotin ≈ 422/ 444/ 473 nm β Carotin ≈ 425/ 450/ 477 nm

Absorbtionsspektrum:

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Anregung des Chlorophyll durch Licht

Absorbiert ein Molekül Licht, geht es in einen angeregten Zustand über

Bei der Rückkehr in den Grundzustand wird die Energie als Wärme oder Fluoreszenz abgegeben

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Jablonski- Diagramm Chemische

(Photosynthese) Arbeit nur aus S1- Zustand geleistet

Triplettzustand regt O2 zu Singulett O2 an

S1 Grundzustand- Abgabe von Wärme und Exitonentransfer

S2: 10-12s (blaues Quant)

S1: 15 .10-6s (rotes Quant)

Demo 1

Fluoreszenz- Vergleich

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Fluoreszenz- Vergleich

Bild 1:Carotinoid- Lösung Bild 2: Fluoreszenz einer Chlorophyll-Lösung

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Lichtsammelkomplex

Antennenkomplex leitet absorb. Energie an Reaktionszentrum weiter

Chl a Δ E Chl a+. + e-

(P680 / P700)

Chl a gibt e- an primär Akzeptor ab und geht in Grundzustand zurück

Z- Schema der Lichtreaktion

14

Die Lichtreaktion

Sauerstoff- Nachweismit Indigoblau

Versuch 1

Indigoblau- Nachweis

NH

NH

OH

O

S2O4

NH

OH

NH

OH

SO3

+ (aq)2- + 2 OH -

(aq)

+2-

(aq)

Indigo

Leukoindigo

Dithionit

+3

+4

Indigoblau-Nachweis

NH

OH

NH

OH

O2

NH

OH

NH

O

2 +

Leukoindigo

Indigo

+ 2 H2O

1.1

Photosynthesepigmente

Chlorophyll ~1900 begann die Strukturaufklärung von Chl. Richard Willstätter stellte erste Forschung an

Photosynthese, Chlorophyll und dem ähnlichen Häm an

1940 klärte Hans Fischer die Struktur von Chl. auf.

1960 konnten Woodward, Strell und Treibs die von Fischer aufgestellte Struktur beweisen

Carotinoide 1837 Berzelius benannte gelbes Pigment im

Herbstlaub als Xanthophyll Fermy/ Stoks wiesen 1860/ 1884 dies auch in

grünen Blättern nach 1911 konnte Mikail Tswett die gelben Pigmente

chromatographisch auftrennen- bezeichnete sie als Carotin / Xanthophyll

1920 konnte man erstmals die Struktur der Carotinoide aufklären

~ 600 verschiedenen Carotinoide

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Demo 2

Dünnschichtchromatoraphie

22

DC Auftrennung

Lösungsmittel:

Petrolether 100:Isoprpanol 10:Wasser 0,25

β- Carotin

PheophythinChlorophyll aChlorophyll b

LuteinViolaxanthin

Neoxanthin

Demo 3

Herbstlaub

Herbstlaub- Auftrennung

Abb.3: Zerschneiden des Laubes Abb.4: Herauslösen der Pigmente mit Aceton

Abb.5: Eindampfen der Lösung

Herbstlaub- Pigmente

Absorbtionspektrum:

Grüne Blätter: Chlorophyll und Carotinoide

Gelbe Blätter: Carotinoide, wenig Chlorophyll/ Anthocyane

Rote Blätter: Anthocyane, wenig Carotinoide

(erst farbloser Flavyliumfarbstoff, wird umgewandelt in Anthocyan)

2. Chlorophyll

Lebensmittelfarbstoff (Gummibärchen,Kekse…)

Kosmetika

Lebensmittelergänzung

Chlorophyll

Mg

A B

CD

E

N

N

N

N

H OCOOCH3O O

Porphyrinring(lichtabsobierend,hydrophil)

Phytolgruppe

(hydrophob)

Chlorophyll- Aufbau

Chlorophyll a

Chlorophyll b

BN

O

H

N

HN

NH

N

OO

O O

N

N

N

N

H OCOOCH3

O O

Mg

A B

CD

EN

N

N

N

COOH COOH

O

OH

Fe

Fe2+ Mg

2+

Häm a Chlorphyll a

Protoporphyrin IX

Chlorohyll/ Häm Ähnlichkeit

2.1 Versuche zur Struktur

von Chlorophyll

Versuch 2

Verseifung von Chlorophyll

Chlorophyll Verseifung

R OC20 H39

O

OH

R OC20 H39

O

OH

R OC20 H39

OH

OHR OC20 H39

O

OH

OH

H

OH+

Chlorophyll Verseifung

Carbonsäure Alkoholat-Ion

irreversibel

Carboxylat- Ion Alkohol

R OC20 H39

OH

OH

R

OH

O

O C20 H39R

OH

O

O C20 H39

R

O

OOH C20 H39

K+

H+

K+

+

+

+

-

+

Chlorophyllid

Mg

A B

CD

E

OH

N

N

N

N

H OCOOCH3O

OH

OK

+

+

Chlorophyllid

Alkohol

35

Versuch 3

Pheophytinbildung

36

Pheophytinbildung

Hitze zerstört Zellmembran Säure der Vakuolen tritt

aus Säure löst im Porphyrinring

gebundenes Mg2+ heraus und ersetzen es durch H+

Pheophytin färbt Blätter braun

Säure:

Chlorophyll(solv) + 2 H3O+(aq) Pheophytin(solv) + 2 H2O(l) + Mg2+

(aq)

N

HN

NH

N

H OCH2

CH2 COOCH3

CHO

COOC20H39

A B

CD

E

37

Rolle des Pheophytins

Pheo e-

38

Versuch 4

Mg2+- Nachweis mit Titangelb

39

Mg2+ - Nachweis

Mg2+(aq) + 2 OH- (aq) Mg(OH)2 (s)

S

NN

SO3Na

NN N

H

SO3Na

Mg2++

Titangelb

?rot

40

Versuch 5

Kupferchlorophyll

41

Kupferchlorophyll

N

N

N

N

H OCH2

CH2 COOCH3

CHO

COOC20H39

Mg

A B

CD

E

Cu2+

Mg2+

N

N

N

N

H OCH2

CH2 COOCH3

CHO

COOC20H39

Cu

A B

CD

E

+

-

Kupferchlorophyll

Abb.6: links- Blatt in Wasser gekocht rechts- Blatt in Kupfersulfat gekocht

3. Carotinoiden

Akzessorische Pigmente (Blättern) Beteiligt am Aufbau des Photosystems II Farb- und Lockstoffe (Blüten) Vorstufe von Retinol Antioxidantien Lebensmittelfarbstoffe Lebensmittelergänzung Kosmetika

Carotinoide

3.1 Versuche zur Struktur

von Carotinoide

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Carotinoide- Aufbau

β- Carotin

Lutein (Xanthophyll)Carotinoide:

Terpene aus Isoprenoid- Einheiten mit 40 C- Atomen Isopren: C5H8 Terpen: C10H16 Carotine ohne Sauerstoff- Gruppen Xanthophyll mit Sauerstoff- Gruppen

OH

OH

3.2 Carotin

Carotin

Isopren

Jononstrukturβ- Carotin

α- Carotin

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Phytoen

Phytofluen

Carotin

Neurosporin

Lycopin

Carotin

β- Carotin Biosynthese

ξ- Carotin

β- Carotin

Desaturasen

Cyclase

50

Versuch 6

Bromierung von Carotin

51

Bromierung von Carotin

RR

Br

Br

RR

BrBr

RR

Br

Br RR

Br

H

H

Br

RR

H

Br

Br

H

+

R:

δ+

δ-Elektrophile Addition

SN2

Bromoniumion

Anti- Addition

Vicinale Dibromverbindung

Bromierung von Carotin

Br

H

H

Br

H

Br

Br

H

53

Versuch 7

Carotin als Radikalfänger

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Radikalfänger Eigenschaften

Kettenstart:

Kettenreaktion:

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I2

. + I .

I .+. +

Tetraiodethen

Carotin als Radikalfänger

R

RR

HI

RR

I H

+ I .

.

.

R:

Radikalische- Addition

Carotin als Radikalfänger

RR

I HR

R

I H

H I

I H

IH

H I

HI

.+ I .

Kettenabbruch:

3.3 Xanthophylle

58

Xanthophylle

OH

OH

O

O

OH

OH

Lutein

Violaxanthin

Neoxanthin

OH

OH

O

OH

59

Demo 4

Säurekatalysierte Epoxidöffnung

Säurekatalysierte Epoxidöffnung

RO

OH

R

OH

O HH

+

OH

OH

O

O

R

OHO H

OHO

+

Violaxanthin Cyclisches Alkoxonium-Ion

Auroxanthin

R=

61

Säurekatalysierte Epoxidöffnung

H+

OHO

OH

OH

OH

OH

O

OH

+

5,8-Neoxanthinepoxid

4. Schulrelevanz

Chlorophyll / CarotinoideChemie 7 Klasse: Trennverfahren 9 Klasse: Löslichkeit, Lösungsmittel 10 Klasse: Additionsreaktionen,räumliche Struktur 11 Klasse: Radikalreaktionen Esterbildung und Verseifung Mesomerie 12 Klasse: Komplexe

Biologie: Klasse 7/ 9: Photosynthese

64

Vielen Dank für ihre

Aufmerksamkeit

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Anhang Calvin-Zyklus