mini|Blätter einer Magnolie mini|Arbeitsschritt bei der Extraktion von Chlorophyll mithilfe von Lösungsmitteln und Scheidetrichter Chlorophylle (Plural von Chlorophyll; von „hellgrün, frisch“ und „Blatt“, sinngemäß „grüner Blattfarbstoff“) oder Blattgrün bezeichnet eine Klasse natürlicher Farbstoffe, die von Organismen gebildet werden, die Photosynthese betreiben. Insbesondere Pflanzen erlangen ihre grüne Farbe durch Chlorophylle.
Pflanzen, Algen und Cyanobakterien besitzen verschiedene Chlorophylltypen, photosynthesetreibende Bakterien verschiedene Typen von Bacteriochlorophyll.
Struktur und Eigenschaften mini|Chromatographische Trennung der Blattfarbstoffe Bei chromatographischer Trennung der Blattpigmente aus einem Extrakt sind Chlorophyll a und Chlorophyll b als getrennte Banden mit etwas unterschiedlichem Grünton zu erkennen.The colour of leaves. Encyclopedia of the environment. Université Grenoble Alpes, 12. Juli 2022. Chlorophylle sind Chelat-Komplexe genannte Molekularstrukturen, bestehend aus einem derivatisierten Porphyrin-Ring und Mg2+ als Zentralion. Im Unterschied zum Porphyrin enthält das Grundgerüst der Chlorophylle einen weiteren, fünften Ring an Ring III (Nummerierung nach Fischer). Je nach Art des Chlorophylls sind an den Grundkörper verschiedene Seitenketten angehängt. So ist beispielsweise Chlorophyll a mit Phytol verestert (vgl. Tabelle). Chlorophyllide sind Chlorophylle ohne Seitenketten.
Strukturell sind die Chlorophylle mit den Hämen verwandt, welche als Bestandteil des Blutfarbstoffs (Hämoglobin), des Myoglobins und der Cytochrome auftreten, als Zentralion jedoch nicht Magnesium, sondern Eisen enthalten. Chlorophylle sind gut löslich in Ethanol und Aceton sowie in ähnlichen Lösungsmitteln. Läuft die Photosynthese bei Lebewesen ab, die Sauerstoff freisetzen (oxygene Phototrophe), spricht man allgemein von Chlorophyll. Anoxygene Phototrophe erzeugen jedoch nicht Sauerstoff als Reaktionsprodukt bei der Photosynthese, bei diesen Organismen bezeichnet man das Chlorophyll als Bakteriochlorophyll.
Hans Fischer ermittelte 1940 die Molekülstruktur von Chlorophyll, die absolute Konfiguration wurde 1967 von Ian Fleming aufgeklärt.Ian Fleming: Absolute Configuration and the Structure of Chlorophyll. In: Nature. Band 216, 1967, S. 151–152. doi:10.1038/216151a0.
Chemische Struktur bei oxygenen Phototrophen + Struktur und Effekt Name Struktur C2-Rest C3-Rest C7-Rest C8-Rest C17-Rest C17-18-Bindung Summenformel Chlorophyll a 140px|rahmenlos –CH3 –CH=CH2 –CH3 –CH2CH3 –CH2CH2COO-Phytyl Einfachbindung C55H72O5N4Mg Chlorophyll b –CH3 –CH=CH2 –CHO –CH2CH3 –CH2CH2COO-Phytyl Einfachbindung C55H70O6N4Mg Chlorophyll c1 –CH3 –CH=CH2 –CH3 –CH2CH3 –CH=CHCOOH Doppelbindung C35H30O5N4Mg Chlorophyll c2 –CH3 –CH=CH2 –CH3 –CH=CH2 –CH=CHCOOH Doppelbindung C35H28O5N4Mg Chlorophyll d –CH3 –CHO –CH3 –CH2CH3 –CH2CH2COO-Phytyl Einfachbindung C54H70O6N4Mg Chlorophyll f –CHO –CH=CH2 –CH3 –CH2CH3 –CH2CH2COO-Phytyl Einfachbindung C55H70O6N4Mg
mini|zentriert|hochkant=1.5|Grundstruktur für die Chlorophylle a, b und d (Die Bezeichnung der Ringe ist angegeben.)mini|zentriert|hochkant=1.2|Grundstruktur für die Chlorophylle c1 und c2mini|zentriert|hochkant=1.2|Struktur von Chlorophyll f
Chemische Struktur bei anoxygenen Phototrophen: Bakteriochlorophylle (Bchl) + Strukturen von Bakterienchlorophyllen Name Struktur R1-Rest R2-Rest R3-Rest R4-Rest R5-Rest R6-Rest R7-Rest Bchl a 150px –CO–CH3 –CH3a –CH2CH3 –CH3 –CO–O–CH3 –Phytyl –H Bchl b –CO–CH3 –CH3a =CH–CH3 –CH3 –CO–O–CH3 –Phytyl –H Bchl c –CHOH–CH3 –CH3 –C2H5b –C3H7 –C4H9 –CH3 –C2H5 –H –Farnesyl –CH3 Bchl cs –CHOH–CH3 –CH3 –C2H5 –CH3 –H –Stearylalkohol –CH3 Bchl d –CHOH–CH3 –CH3 –C2H5b –C3H7 –C4H9 –CH3 –C2H5 –H –Farnesyl –H Bchl e –CHOH–CH3 –CHO –C2H5b –C3H7 –C4H9 –C2H5 –H –Farnesyl –CH3 Bchl g –CH=CH2 –CH3a –C2H5 –CH3 –CO–O–CH3 –Farnesyl –H
a: Keine Doppelbindung zwischen C7 und C8 (farblich markiert im Bild) b: Bei Bchl c, d und e handelt es sich um ein Gemisch von Isomeren, bei denen der Rest R3 oder R4 unterschiedlich substituiert ist.
zentriert|500px
Spektrale Eigenschaften mini|Absorptionsspektrum von Chlorophyll a und b mini|Gelbes Licht, Wellenlänge rund 580 nm,Hyperphysics: Spectral Colors wird von der Chlorophyll-Lösung fast vollständig durchgelassen. mini|Absorptionsspektrum von BChl a und dem Antennenkomplex LH2 eines Purpurbakteriums
Welches Licht vom Chlorophyll besonders stark absorbiert wird, kann man mit einem einfach gebauten Absorptionsspektrometer messen. In diesem Beispiel ist die Blende so platziert, dass gelbes Licht in die Küvette mit der Chlorophyll-Lösung fällt. Die Menge des auf der anderen Seite der Küvette austretenden gelben Lichts unterschreitet die Menge an einfallendem Licht kaum, weil im Bereich dieser Wellenlängen vom Chlorophyll kaum etwas absorbiert wurde. Verschiebt man die Blende so, dass rotes oder blaues Licht hindurch dringt, misst der Detektor hinter der Küvette eine wesentlich geringere Emission.
Die Absorptionsspektren von in Lösungsmitteln gelösten Chlorophyllen besitzen immer zwei ausgeprägte Absorptionsmaxima, eines zwischen 600 und 800 nm, das als Qy-Bande bezeichnet wird, und eines um 400 nm, das Soret-Bande genannt wird. Die Abbildung rechts zeigt diese Absorptionsmaxima für Chlorophyll a und b. Zusätzlich existiert die Qx-Bande um 580 nm, die senkrecht zu Qy polarisiert ist und in der Regel sehr schwach absorbiert. Für Chlorophyll a ist sie in der Abbildung noch zu erkennen, für Chlorophyll b verschwindet sie im Untergrund. Der zwischen den Banden liegende Bereich wird als Grünlücke bezeichnet.
Anhand der Spektren in der Abbildung kann man leicht verstehen, warum Blätter – diese enthalten Chlorophyll a und b – grün sind. Zusammen absorbieren Chlorophyll a und b hauptsächlich im blauen Spektralbereich (400–500 nm) sowie im roten Spektralbereich (600–700 nm). Im grünen Bereich hingegen findet keine Absorption statt, so dass grünes Licht gestreut wird, was Blätter grün erscheinen lässt.
mini|Struktur des Antennenkomplex LH2 eines Purpurbakteriums. Die BChl sind gelb (B800) und orange (B850) gezeichnet. Zur besseren Übersichtlichkeit wurden die Phytylschwänze nicht gezeichnet und die Proteinumgebung transparent dargestellt. Die Magnesiumatome im Zentrum der BChl sind als Kugeln dargestellt. Die Absorption ist abhängig vom Lösungsmittel und dementsprechend kann die Lage der Absorptionsmaxima je nach Art des Lösungsmittels um einige wenige Nanometer variieren. In der natürlichen Umgebung von Chlorophyllen, also der Proteinumgebung, sieht das anders aus. Hier hängt die Lage der Absorptionsmaxima von zwei Faktoren ab: (1) Je nach Partialladung der umgebenden Aminosäuren und Verbiegung der Seitengruppen der Chlorophyllmoleküle können die Absorptionsmaxima bei stark unterschiedlichen Wellenlängen liegen. (2) In Proteinen kommen sich Chlorophylle sehr nahe, sodass sie eine Wechselwirkung aufeinander ausüben (Dipol-Dipol-Wechselwirkung; bei sehr geringen Abständen auch Austauschwechselwirkung). Diese Wechselwirkung führt zu einer Absenkung der Energieniveaus und damit zu einer Rotverschiebung der Absorptionsmaxima. Dies kann man besonders eindrucksvoll am Beispiel des Antennenkomplexes LH2 von Purpurbakterien sehen. Der LH2-Komplex besteht aus zwei ringförmig angeordneten Gruppen von Bacteriochlorophyllmolekülen (siehe Abbildung). Der obere Ring (B850) enthält 18 BChl a-Moleküle, die in sehr geringen Abständen voneinander liegen, also stark gekoppelt sind. Der untere Ring (B800) besteht aus 9 BChl a-Molekülen, die deutlich weiter voneinander entfernt liegen und somit viel schwächer gekoppelt sind.
Durch die starke Kopplung wird die Absorption von BChl a im B850-Ring zu Rot verschoben. Die Absorptionsbande liegt bei 850 nm. Die schwachgekoppelten BChl a des B800-Rings absorbieren hingegen bei 800 nm, also ungefähr im gleichen Bereich wie in Lösungsmittel gelöste BChl a-Moleküle. Im Absorptionsspektrum (Abbildung rechts) des LH2-Komplexes sind die Absorptionsbanden der B800- und der B850-BChl-a-Moleküle deutlich getrennt. Zusätzlich werden Banden dargestellt, die von Carotinoidmolekülen stammen, diese sind in der Struktur nicht eingezeichnet. mini|Baum, Person und Wiese im sichtbaren Spektralbereich aufgenommen mini|Dasselbe Motiv (ohne Person im Bild) unter Verwendung eines IR-Transmissionsfilters (Powershot A70 + Hoya 780) fotografiert, aufgezeichnet wird nur Infrarot im Bereich von 700–1000 nm, Baum und Wiese sind hell
Typen Es gibt verschiedene Typen von Chlorophyll, die sich in den Seitengruppen des Porphyrins unterscheiden. Sie besitzen verschiedene Absorptionsspektren und kommen bei verschiedenen phototrophen Organismen vor: Chlorophylltyp Farbe Absorptionsmaxima(in nm)Hugo Scheer (Editor): Chlorophylls. CRC Press, 1991. ISBN 0-8493-6842-1.VorkommenChlorophyll a blaugrün430, 662 (in Aceton)Cyanobakterien und alle phototrophen EukaryotenChlorophyll b gelbgrün454, 643 (in Diethylether)Grünalgen (Chlorophyta), Euglenozoa und alle LandpflanzenChlorophyll c grün444, 576, 626an Stelle von Chlorophyll b bei Braunalgen (Phaeophyta), Kieselalgen (Bacillariophyta),Goldalgen (Chrysophyta), Gelbgrüne Algen (Xanthophyta), Haptophyta, Dinophyta und RaphidophyceaeChlorophyll d 447, 688Cyanobakterium Acaryochloris marinaChlorophyll f 706 Cyanobakterien (z. B. Ordnung Nodosilineales), zuerst gefunden in westaustralischen StromatolithenBacteriochlorophyll agrün358, 577, 773 (in Aceton)Purpurbakterien (Rhodospirillaceae, Chromatiaceae)Bacteriochlorophyll b 368, 580, 794 (in Aceton)Schwefelpurpurbakterien (Chromatiaceae); PurpurbakterienBacteriochlorophyll cgrün432, 660 (in Aceton?)Grüne Schwefelbakterien (Chlorobiaceae)Bacteriochlorophyll cs 740 (in vivo) Grüne Nichtschwefelbakterien (Chloroflexaceae)Bacteriochlorophyll d 458, 646 (in was?) 427, 654 (in Aceton)Grüne Schwefelbakterien (Chlorobiaceae)Bacteriochlorophyll e 424, 654 (in was?) 462, 649 (in Aceton) Grüne Schwefelbakterien (Chlorobiaceae)Bacteriochlorophyll g 408, 418, 470, 575, 763 (in was?) 412, 788 (in vivo) Heliobacteria
Biosynthese mini|Porree nach Entfernung der äußeren Blätter: Die lichtexponierten Blattteile sind tiefgrün. Die freigelegten unteren Blattteile, die zuvor vom Licht abgeschirmt waren, enthalten wenig bzw. kein Chlorophyll. mini|Querschnitt: Noch innen liegende Blattteile bilden bereits Chlorophyll. mini|hochkant=2|Ausschnitt der Chlorophyllsynthese (für Einzelheiten siehe Text). Den letzten Schritt (A) katalysiert eine Chlorophyll-Synthase. Chlorophyll wird bei Eukaryoten in den Chloroplasten synthetisiert, bei Prokaryoten im Cytoplasma. Bei vielen Phototrophen wird die Chlorophyll-Bildung durch Licht induziert und bleibt ohne Belichtung aus. Die Biosynthese besteht aus einer Reihe zahlreicher Schritte mit einer entsprechenden Anzahl spezifischer Enzyme.Samuel I. Beale: Enzymes of chlorophyll biosynthesis (Übersichtsartikel). In: Photosynthesis Research. Bd. 60, 1999. S. 43–73. Hier die Darstellung des Biosynthese-Wegs.
Die Synthese dieses und anderer Tetrapyrrole ist ein mehrstufiger Prozess, der verschiedene Verzweigungspunkte aufweist. Die Biosynthese geht von L-Glutamat aus und endet in einem Sirohäm-, einem Häm- und einem Chlorophyll-Zweig.
Nach mehreren Schritten wird aus L-Glutamat Uroporphyrinogen III gebildet, dem ersten Verzweigungspunkt, aus dem Sirohäm gebildet werden kann. Uroporphyrinogen III wird dann in drei Schritten zu Protoporphyrin IX umgesetzt, was den zweiten Verzweigungspunkt zu den Hämen darstellt. In Protoporphyrin IX wird bei einer ATP-abhängigen Reaktion das Magnesiumion eingeführt, was eine Magnesium-Chelatase () katalysiert. Das hierbei gebildete Mg-Protoporphyrin IX wird über Mg-Protoporphyrin IX-Monoethylester zu Divinyl-Protochlorophyllid a umgesetzt. Jenen Schritt katalysiert eine Cyclase, die den fünften Ring in Chlorophyll einführt. In Pflanzen ist dieses Enzym O2-abhängig, während es bei Prokaryonten sowohl O2-abhängige als auch -unabhängige Cyclasen gibt.