photosynthesepigmente experimentalvortrag katharina fritsch mittwoch 19.12.2007 marburg
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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
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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
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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
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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
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Versuch 3
Pheophytinbildung
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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
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Rolle des Pheophytins
Pheo e-
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Versuch 4
Mg2+- Nachweis mit Titangelb
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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
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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
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Versuch 6
Bromierung von Carotin
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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
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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
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Xanthophylle
OH
OH
O
O
OH
OH
Lutein
Violaxanthin
Neoxanthin
OH
OH
O
OH
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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
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Vielen Dank für ihre
Aufmerksamkeit
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Anhang Calvin-Zyklus