Photosynthesepigmente Experimentalvortrag Katharina Fritsch Mittwoch 19 12 2007

Photosynthesepigmente Experimentalvortrag Katharina Fritsch Mittwoch 19. 12. 2007 Marburg

Inhalt 1. Photosynthese allgemein 1. 1 Photosynthesepigmente 2. Chlorophyll 2. 1 Versuche zur Struktur von Chlorophyll 3. Carotinoiden 3. 1 Versuche zur Struktur von Carotinoiden 3. 2 Carotin 3. 3 Xanthophylle 4. Schulrelevanz 2

1. Photosynthese allgemein Unter Photosynthese versteht man die Fähigkeit grüner Pflanzen und Bakterien mit Hilfe von Lichtenergie und anorg. Verbindungen zu synthetisieren 6 CO 2 + 12 H 2 O hν Chloroplast ΔG´m(ΔG 0´) 0 +2872 k. L/mol Hexose C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O + 6 O 2

Das Blatt ½ Million Chloroplasten (CP) pro mm² Meisten CP liegen im Mesophylls CP sind gefüllt mit Thylakoidstapeln Chlorophyll liegt in Thylakoidmembran 4

Eigenschaften des Sonnenlichts Elektromagnetisches Spektrum UV-vis: 270 - 750 nm ΔE= h • ν = hc/ λ Energie umgekehrt proprtional zur Wellenlänge 5

Chloroplast Chlorophyll absorbiert rote und blaue Wellenlängen Das „restliche“ Licht transmittiert Daher erscheint der Chloroplast grün “Grünlücke” 6

Photosynthesepigmente Absorbtionsspektrum: Chl. a ≈ 430/ 662 nm Chl. b ≈ 453/ 642 nm α Carotin ≈ 422/ 444/ 473 nm β Carotin ≈ 425/ 450/ 477 nm 7

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 8

Jablonski- Diagramm Chemische (Photosynthese) Arbeit nur aus S 1 - Zustand geleistet Triplettzustand regt O 2 zu Singulett O 2 an S 1 Grundzustand. Abgabe von Wärme und Exitonentransfer S 2: 10 -12 s (blaues Quant) S 1: . 15 10 -6 s (rotes Quant) 9

Demo 1 Fluoreszenz- Vergleich

Fluoreszenz- Vergleich Bild 1: Carotinoid- Lösung Bild 2: Fluoreszenz einer Chlorophyll. Lösung 11

Lichtsammelkomplex Antennenkomplex leitet absorb. Energie an Reaktionszentrum weiter Chl a Δ E (P 680 / P 700) Chl a+. + e- Chl a gibt e- an primär Akzeptor ab und geht in Grundzustand zurück 12

Z- Schema der Lichtreaktion

Die Lichtreaktion 14

Versuch 1 Sauerstoff- Nachweis mit Indigoblau

Indigoblau- Nachweis

Indigoblau-Nachweis

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

Demo 2 Dünnschichtchromatoraphie 21

DC Auftrennung Lösungsmittel: β- Carotin Petrolether 100: Isoprpanol 10: Wasser 0, 25 Pheophythin Lutein Neoxanthin Chlorophyll a Chlorophyll b Violaxanthin 22

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

Chlorophyll Lebensmittelfarbstoff (Gummibärchen, Kekse…) Kosmetika Lebensmittelergänzung

Chlorophyll- Aufbau Porphyrinring (lichtabsobierend, hydrophil) Chlorophyll b Phytolgruppe (hydrophob) Chlorophyll a

Chlorohyll/ Häm Ähnlichkeit

2. 1 Versuche zur Struktur von Chlorophyll

Versuch 2 Verseifung von Chlorophyll

Chlorophyll Verseifung

Chlorophyll Verseifung Carbonsäure Alkoholat-Ion irreversibel Carboxylat- Ion Alkohol

Chlorophyllid

Versuch 3 Pheophytinbildung 35

Pheophytinbildung Hitze zerstört Zellmembran Säure der Vakuolen tritt aus Säure löst im Porphyrinring gebundenes Mg 2+ heraus und ersetzen es durch H+ Pheophytin färbt Blätter braun Säure: Chlorophyll(solv) + 2 H 3 O+(aq) Pheophytin(solv) + 2 H 2 O(l) + Mg 2+(aq) 36

Rolle des Pheophytins Pheo e- 37

Versuch 4 2 + Mg - Nachweis mit Titangelb 38

2+ Mg - Mg 2+(aq) + 2 OH- (aq) Nachweis Mg(OH)2 (s) ? rot 39

Versuch 5 Kupferchlorophyll 40

Kupferchlorophyll 41

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

3. Carotinoiden

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

3. 1 Versuche zur Struktur von Carotinoide

Carotinoide- Aufbau β- Carotinoide: Lutein (Xanthophyll) Terpene aus Isoprenoid- Einheiten mit 40 C- Atomen Isopren: C H 5 8 Terpen: C H 10 16 Carotine ohne Sauerstoff- Gruppen Xanthophyll mit Sauerstoff- Gruppen 46

3. 2 Carotin

Carotin β- Carotin Jononstruktur α- Carotin Isopren

β- Carotin Biosynthese Desaturasen ξ- Carotin Cyclase 49 β- Carotin

Versuch 6 Bromierung von Carotin 50

Bromierung von Carotin Elektrophile Addition Bromoniumion δ+ δ- Anti. Addition SN 2 Vicinale Dibromverbindung 51

Bromierung von Carotin

Versuch 7 Carotin als Radikalfänger 53

Radikalfänger Eigenschaften Kettenstart: Kettenreaktion: 54

Carotin als Radikalfänger Radikalische- Addition

Carotin als Radikalfänger Kettenabbruch:

3. 3 Xanthophylle

Xanthophylle Lutein Violaxanthin Neoxanthin 58

Demo 4 Säurekatalysierte Epoxidöffnung 59

Säurekatalysierte Epoxidöffnung

Säurekatalysierte Epoxidöffnung 61

4. Schulrelevanz

Chlorophyll / Carotinoide Chemie 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

Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit 64

Anhang Calvin-Zyklus 65