Eine Einführung und Erklärung der Photosynthese und dessen Prinzipien

1. Photosynthesepigmente
Experimentalvortrag
Katharina Fritsch
Mittwoch 19.12.2007
Marburg

2. 2
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

3. 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. 4
 ½ Million Chloroplasten
(CP) pro mm²
 Meisten CP liegen im
Mesophylls
 CP sind gefüllt mit
Thylakoidstapeln
 Chlorophyll liegt in
Thylakoidmembran
Das Blatt

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

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

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

8. 8
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

9. 9
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)

10. Demo 1
Fluoreszenz- Vergleich

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

12. 12
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

13. Z- Schema der
Lichtreaktion

14. 14
Die Lichtreaktion

15. Sauerstoff- Nachweis
mit Indigoblau
Versuch 1

16. Indigoblau- Nachweis
N
H
N
H
OH
O
S2
O4
N
H
OH
N
H
OH
SO3
+ (aq)
2-
+ 2 OH
-
(aq)
+
2-
(aq)
Indigo
Leukoindigo
Dithionit
+3
+4

17. Indigoblau-Nachweis
N
H
OH
N
H
OH
O2
N
H
OH
N
H
O
2 +
Leukoindigo
Indigo
+ 2 H2O

18. 1.1
Photosynthesepigmente

19. 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

20. 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

21. 21
Demo 2
Dünnschichtchromatoraphie

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

23. Demo 3
Herbstlaub

24. Herbstlaub- Auftrennung
Abb.3: Zerschneiden des Laubes
Abb.4: Herauslösen der Pigmente
mit Aceton
Abb.5: Eindampfen der Lösung

25. 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)

26. 2.
Chlorophyll

27.  Lebensmittelfarbstoff
(Gummibärchen,Kekse…)
 Kosmetika
 Lebensmittelergänzung
Chlorophyll

28. M
g
A B
C
D
E
N
N
N
N
H O
C
O
O
C
H3
O O
Porphyrinring
(lichtabsobierend,
hydrophil)
Phytolgruppe
(hydrophob)
Chlorophyll- Aufbau
Chlorophyll a
Chlorophyll b
B
N
O
H

29. N
HN
NH
N
O
O
O O
N
N
N
N
H O
COOCH3
O O
Mg
A B
C
D
E
N
N
N
N
COOH COOH
O
OH
Fe
Fe
2+
Mg
2+
Häma Chlorphyll a
Protoporphyrin IX
Chlorohyll/ Häm Ähnlichkeit

30. 2.1
Versuche zur Struktur
von Chlorophyll

31. Versuch 2
Verseifung von Chlorophyll

32. Chlorophyll Verseifung
R O
C
2
0
H
3
9
O
O
H
R O
C
2
0
H
3
9
O
O
H
R O
C
2
0
H
3
9
O
H
O
H
R O
C
2
0
H
3
9
O
O
H
O
H
H
O
H
+

33. Chlorophyll Verseifung
Carbonsäure Alkoholat-Ion
irreversibel
Carboxylat- Ion Alkohol
R O
C
2
0
H
3
9
O
H
O
H
R
O
H
O
O
C
2
0
H
3
9
R
O
H
O
O
C
2
0
H
3
9
R
O
O
O
H C
2
0
H
3
9
K
+
H
+
K
+
+
+
+
-
+

34. Chlorophyllid
M
g
A B
C
D
E
O
H
N
N
N
N
H O
C
O
O
C
H
3
O
O
H
O
K
+
+
C
h
l
o
r
o
p
h
y
l
l
i
d
A
l
k
o
h
o
l

35. 35
Versuch 3
Pheophytinbildung

36. 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
H N
N H
N
H O
C
H 2
C H 2 C O O C H 3
C H O
C O O C 20
H 39
A B
C
D
E

37. 37
Rolle des Pheophytins
Pheo e-

38. 38
Versuch 4
Mg2+- Nachweis mit
Titangelb

39. 39
Mg2+ - Nachweis
Mg2+
(aq) + 2 OH-
(aq) Mg(OH)2 (s)
S
N
N
S
O
3
N
a
N
N
N
H
S
O
3
N
a
M
g
2
+
+
T
i
t
a
n
g
e
l
b
?
rot

40. 40
Versuch 5
Kupferchlorophyll

41. 41
Kupferchlorophyll
N
N
N
N
H O
C
H
2
C
H
2 C
O
O
C
H
3
C
H
O
C
O
O
C
2
0
H
3
9
M
g
A B
C
D
E
C
u
2
+
M
g
2
+
N
N
N
N
H O
C
H
2
C
H
2 C
O
O
C
H
3
C
H
O
C
O
O
C
2
0
H
3
9
C
u
A B
C
D
E
+
-

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

43. 3.
Carotinoiden

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

45. 3.1
Versuche zur Struktur
von Carotinoide

46. 46
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
O
H
O
H

47. 3.2
Carotin

48. Carotin
Isopren
Jononstruktur
β- Carotin
α- Carotin

49. 49
Phytoen
Phytofluen
Carotin
Neurosporin
Lycopin
Carotin
β- Carotin Biosynthese
ξ- Carotin
β- Carotin
Desaturasen
Cyclase

50. 50
Versuch 6
Bromierung von Carotin

51. 51
Bromierung von Carotin
R
R
Br
Br
R
R
Br
Br
R
R
Br
Br R
R
Br
H
H
Br
R
R
H
Br
Br
H
+
R:
δ+
δ-
Elektrophile
Addition
SN2
Bromoniumion
Anti-
Addition
Vicinale
Dibromverbindung

52. Bromierung von Carotin
B
r
H
H
B
r
H
B
r
B
r
H

53. 53
Versuch 7
Carotin als Radikalfänger

54. 54
Radikalfänger Eigenschaften
Kettenstart:
Kettenreaktion:
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
2
.
+ I.
I.
+
.
+
T
e
tr
a
io
d
e
th
e
n

55. Carotin als Radikalfänger
R
R
R
H
I
R
R
I H
+I
.
.
.
R
:
Radikalische- Addition

56. Carotin als Radikalfänger
R
R
I H
R
R
I H
H I
I H
I
H
H I
H
I
.
+ I .
Kettenabbruch:

57. 3.3 Xanthophylle

58. 58
Xanthophylle
O
H
O
H
O
O
O
H
O
H
Lutein
Violaxanthin
Neoxanthin
O
H
O
H
O
O
H

59. 59
Demo 4
Säurekatalysierte
Epoxidöffnung

60. Säurekatalysierte Epoxidöffnung
R
O
O
H
R
O
H
O H
H
+
O
H
O
H
O
O
R
O
H
O H
O
H
O
+
V
io
la
x
a
n
th
in
C
y
c
lis
c
h
e
sA
lk
o
x
o
n
iu
m
-Io
n
A
u
ro
x
a
n
th
in
R
=

61. 61
Säurekatalysierte Epoxidöffnung
H
+
O
H
O
O
H
O
H
O
H
O
H
O
O
H
+
5
,
8
-
N
e
o
x
a
n
t
h
i
n
e
p
o
x
i
d

62. 4.
Schulrelevanz

63. 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

64. 64
Vielen Dank für ihre
Aufmerksamkeit

65. 65
Anhang Calvin-Zyklus