Die wahre Farbe von Chlorophyll

Die Lichtsammelkomplexe in der Photosynthese bei Pflanzen sind blauer als wir denken

13. April 2015

In einer aktuellen Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie International Edition hat eine Forschergruppe, an der auch Angel Rubio, Direktor der Abteilung Theorie am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, beteiligt ist, eine Methode entwickelt, die es erlaubt die Farbe von Chlorophyllpigmenten außerhalb ihrer Zellumgebung zu messen. Diese Arbeit könnte den Weg für ein besseres Verständnis der Photosynthese ebnen und somit möglicherweise zur Entwicklung effizienterer Photovoltaikanlagen führen.

Die meisten Blätter erscheinen in verschiedenen Abstufungen der Farbe Grün. Dies liegt an Farbpigmenten, die man Chlorophyll oder auch Blattgrün nennt. Der Name stammt von den griechischen Wörtern chloros (grün) und phyllon (Blatt). In der Natur gibt es sechs Arten von Chlorophyll. Die beiden Arten, die hauptsächlich in Pflanzen auftreten, nennt man Chlorophyll a und Chlorophyll b.

Absorptionsspektren der Chlorophyllpigmente a und b im Bereich des sichtbaren Lichts, gemessen in einem Lösungsmittel. Beide Arten absorbieren kaum grünes Licht.

Chlorophyll a absorbiert überwiegend violettes und oranges Licht. Chlorophyll b absorbiert hingegen überwiegend blaues und gelbes Licht. Beide Arten absorbieren auch Licht anderer Wellenlängen, jedoch mit geringerer Intensität. Allerdings absorbieren beide Typen kaum grünes Licht. Blätter erscheinen also grün, weil gerade dieses Licht zu unseren Augen reflektiert wird anstatt von den Blättern absorbiert zu werden. Da es keine weiteren starken Farbpigmente in Blättern gibt, ist dies schon die ganze Erklärung für die Färbung von Blättern.

Chlorophyllmoleküle haben an einem Ende eine ringförmige Struktur, die man Porphyrin nennt und ein Magnesium-Ion im Zentrum hat. Wenn man ein Blatt in Wasser kocht, wird das Magnesium-Ion durch ein Wasserstoff-Ion, also ein Proton, ersetzt und die Farbe wechselt von einem leuchtenden Grün zu der dumpferen und dunkleren Farbe von verkochtem Brokkoli. Bereits eine kleine Änderung der molekularen Struktur führt also zu einer Änderung der optischen Eigenschaften. Chlorophyll a und Chlorophyll b unterscheiden sich ebenfalls nur in einem Substituenten des Porphyrins; Chlorophyll a besitzt eine Methylgruppe (-CH3), Chlorophyll b hingegen eine Aldehydgruppe (-CHO) an der C7-Position. Aber bereits durch diesen Unterschied sind die Absorptionsspektren der beiden Moleküle deutlich verschieden.

Molekulare Strukturen von Chlorophyll a (links) und b (rechts). Sie unterscheiden sich nur in einem Substituenten des Porphyrin-Ringes.

Photosynthetische Chlorophyllpigmente sind in Blattzellen nicht alleine; in der Regel sitzen sie innerhalb einer Proteintasche. Die Wechselwirkung mit der Mikroumgebung sorgt dafür, dass die Chlorophyllpigmente einen Großteil des sichtbaren Lichtspektrums abdecken. Um zu wissen wie stark die Mikroumgebung die sichtbare Farbe beeinflusst, muss man zunächst die wahre Farbe des Chlorophylls kennen. Dies ist von hoher Bedeutung, wenn wir verstehen wollen wie die Photosynthese genau funktioniert und wenn wir dieses Wissen verwenden wollen, um wirklich effiziente photovoltaische Anlagen zu bauen.

Diese Frage ist allerdings nicht leicht zu beantworten. Man könnte denken, dass man lediglich eine Chlorophyll-Lösung präparieren und sie mit Hilfe eines Spektrometers vermessen muss. Dies wurde bereits mit verschiedenen Lösungsmitteln durchgeführt. Das Problem bei dieser Methode ist, dass die Lösungsmittel einen Einfluss auf die Elektronenstruktur des  Chlorophyllmoleküls haben. Und zwar insbesondere auf die Elektronenwolke am Porphyrin, was zu eine Änderung der optischen Eigenschaften führt. Nun haben Angel Rubio und seine Koautoren eine Methode entwickelt, die es erlaubt die wahre Farbe von Chlorophyll ohne Störungen durch seine Umgebung zu bestimmen.

Die Vorgehensweise besteht darin die Chlorophyllmoleküle a und b mit drei verschiedenen Ammonium-Kationen, d.h. positiv geladenen Ionen, zu markieren. Da diese Kationen keine beweglichen Protonen beinhalten, ist gewährleistet, dass in jedem Fall der Abstand zwischen dem Chlorophyll und der elektrischen Ladung bekannt ist. Dann wird die gelöste Mixtur aus Chlorophyll und Markierung mit Hilfe eines Elektrosprays in das Vakuum innerhalb eines Spektrometers eingebracht. Anregung der Moleküle durch Laserlicht führt zur Trennung des Chlorophylls von den Markierungs-Kationen und erlaubt so die Messung der Chlorophyll-Spektren für verschiedene Kationen.

Die von den Forschern auf diese Weise erhaltenen Spektren zeigen eine vernachlässigbare Abhängigkeit von der Art der gewählten Markierungs-Kationen. Dies würde bedeuten, dass die Kationen genügend weit vom Porphyrin, welches dem Chlorophyll seine optischen Eigenschaften verleiht, entfernt sind. Diese Interpretation wurde mit Hilfe von ab-initio-Berechnungen bestätigt. Die Ergebnisse dieser Berechnungen zeigen, dass die Markierungen nur minimalen Einfluss auf die Anregungsenergien haben und somit auf die Wellenlängen, die die Chlorophyllmoleküle absorbieren; die Verschiebung der Absorptionswellenlängen befindet sich im Bereich von weniger als 10 Nanometern (nm).

Was ist also die wahre Farbe von Chlorophyll? Im Falle des Chlorophylls a liegt die maximale Absorption im roten Bereich bei 642 nm und im blauen Bereich bei 372 nm. Für Chlorophyll b liegen die entsprechenden Werte bei 626 nm bzw. 392 nm. Das bedeutet, dass die Umgebung innerhalb von Pflanzenzellen die Absorptionsspektren in Richtung roter Wellenlängen verschiebt. Mit anderen Worten, Chlorophyllpigmente sind blauer als wir denken.

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