1.2 Photosynthese, Abhängigkeit von Faktoren  
1.2.3.1 Licht- und CO2 - Abhängigkeit (Fortsetzung)  

Wie wir schon im vorigen Kapitel bei der Blasenzählung gesehen haben, ist die Photosyntheserate von der Lichtintensität abhängig. Untersucht man diesen Sachverhalt bei atmosphärischer CO2-Konzentration quantitativ, ergibt sich nachfolgendes Bild:

Ab einer bestimmten Beleuchtungsstärke läßt sich die Photosyntheserate nicht mehr steigern. Unterschiede ergeben sich bei Licht und Schattenpflanzen. Letztere erreichen früher ihr Maximum.

Variiert man zusätzlich die CO2-Konzentration ergibt sich folgendes:

Die Photosyntheserate erreicht bei ca. 12 000 Lux (Einheit der Beleuchtungsstärke) ihr Maximum und kann durch höhere Lichtstärken nicht gesteigert werden. (20 000 Lux werden im Hochsommer, am Mittag bei wolkenlosem Himmel erreicht.)

Die CO2-Konzentration der Luft ist unteroptimal. Die Photosyntheserate kann bis 0, 1% CO2 beträchtlich gesteigert werden (ca. Faktor 2,5). Dies wird in Gewächshäusern durch CO2-Begasung ausgenützt, um den Ertrag zu steigern.

1.2.3.2 Temperaturabhängigkeit

Die typische Temperaturabhängigkeit der Photosynthese (Lichtpflanzen) beschreibt in etwa eine Gaußsche Glockenkurve mit einem optimalen Bereich zwischen 20 und 40 °C. Sie ähnelt stark der Temperaturabhängigkeit der Enzyme.(siehe Biokurs Klasse 11). Auch der Temperaturbereich stimmt in etwa.

Die Vermutung liegt deshalb nahe, daß bei der Photosynthese enzymatische Prozesse eine Rolle spielen.

1.3. Eigenschaften der Blattfarbstoffe

1.3.1 Licht und die Absorptionseigenschaften der Blattfarbstoffe

Licht als elektromagnetische Welle besitzt wie alle Wellen folgende Eigenschaften:

Wellenlänge l
Frequenz n
Geschwindigkeit c

Sichtbares Licht ist ein Spektrum der Wellenlängen von ca. 390 - 770 nm.

Dabei sind Wellen mit 450 nm blau, 500 nm grün und 700 nm rot.

Das gesamte Spektrum erscheint dem Auge gemeinsam angeboten als weißes Licht.

Der Energiegehalt ist umgekehrt proportional der Wellenlänge d.h. je kürzer die Wellenlänge, desto höher der Energiegehalt. UV-Licht ist deshalb energiereicher als Infarotlicht.

E = Energie

h ist das Plancksche Wirkungsquantum = (6.626196 * 10-34 JouleSek.)

Jede Wellenlänge besteht aus "Energiepaketen" = Quanten = Photonen. Die Energie wird in Einstein (1 Einstein = 1 Mol Photonen) angegeben. Blaulicht besitzt ca. 300 KJ/Einstein, Rotlicht ca. 160 KJ/Einstein.

Licht hat Eigenschaften von Wellen und Teilchen. Die Welleneigenschaften sieht man an der Brechung des Lichts im Wasser oder an einem Prisma, die Teilcheneigenschaften am Photoeffekt. Licht kann aus Metalloberflächen wie Zink oder Kalium usw. Elektronen herauschlagen, die Metalle werden positiv aufgeladen, Strom fließt.

Daß Licht auch mit anderen Stoffen in Wechselwirkung tritt sieht man z. B. an einem blauen Pulli oder einem grünen Blatt. Nehmen wir im einfachsten Fall an der Pulli enthält einen blauen Farbstoff (Pigment), das Blatt einen grünen Farbstoff . Der Pulli erscheint blau, weil er mit weißem Licht bestrahlt wird und im einfachsten Fall alle Wellenlängen absorbiert außer blau. Diese wird reflektiert und vom Auge wahrgenommen. Das Blatt erscheint aus dem gleichen Grund grün, weil alle Wellenlängen außer grün absorbiert werden. (siehe oben Chlorophyll)

Pigmente sind also Stoffe, die Licht absorbieren.

Schwarze Farbstoffe absorbieren alle sichtbaren Wellenlängen, weiße Pigmente reflektieren alle Wellenlängen. Jedes Pigment hat seine eigenen Absorptionseigenschaften.

Der grüne Farbstoff in allen grünen Pflanzen heißt Chlorophyll und absorbiert weißes Licht wie oben dargestellt. Man fand aber bei der genauen Analyse verschiedener Pflanzen noch andere Blattfarbstoffe, die unterschiedliche Absorptionseigenschaften haben. Diese sind unten dargestellt:

Die Nichtchlorophyll-Blattfarbstoffe werden akzessorische Pigmente genannt.

Die photosynthetisch aktiven Pigmente sind alle in den Chloroplasten enthalten. Zusätzlich findet man vor allem Herbst in Blättern rotes bis purpurfarbenes Anthocyan. Dieses hat jedoch keine photosynthetische Wirkung, ist wasserlöslich und in der Vakuole enthalten. Anthocyane sind auch für die Färbung vieler Früchte und Blütenblätter verantwortlich.

Im Frühjahr und Sommer sind die Blätter der meisten Pflanzen grün, nur im Herbst wechseln die Blätter die Farben. Der grüne Blattfarbstoff Chlorophyll macht den Hauptteil der Pigmente aus und überdeckt normalerweise die anderen Pigmente. Im Herbst, wenn Chlorophyll durch die längere Dunkelzeit abgebaut wird, kann man die anderen Farbstoffe sehen.

Frühling, Sommer
Chlorophyll
Herbst
Anthocyan
Herbst
Carotine
Herbst
Xanthophylle
Blattfarben und die bestimmenden Pigmente

Alle Blattfarbstoffe sind höhermolekulare organische Stoffe. Die chemische Struktur kann man nachfolgender Zusammenstellung entnehmen.

CHLOROPHYLLE

Chlorophyll besteht aus einem Poryphyrinringsystem mit Mg2+ als Zentralion. Die Struktur ist grundsätzlich mit dem Hämoglobin, dem roten Blutfarbstoff verwandt. Man beachte das System alternierender Doppelbindungen, das durch die vier N-haltigen 5er-Ringe (Pyrrol) gebildet wird. Chl a und b unterscheiden sich nur durch einen Substituenten (R).

Die Lichtabsorption erfolgt im blauen (Chla a = 440 nm) und roten (Chl a = 662nm) Spektralbereich des sichtbaren Lichts.

CAROTINOIDE

Carotine sind Tetraterpene (8 Isopreneinheiten; C40). Wiederum sind die alternierenden Doppelbindungen auffällig. Das wichtigste Carotin ist das b-Carotin in Kormophyten und Algen.

Die Lichtabsorption erfolgt im blauen bis grünen Spektralbereich des sichtbaren Lichts. ( b-Carotin zwischen 415 und 500 nm)

XANTHOPHYLLE

Xanthophylle sind die Oxidationsprodukte der Carotine und enthalten O. Die wichtigsten Xanthophylle in Kormophyten und Algen sind links abgebildet.

Phycobilline

Phycocyanin (Abb. 22) und Phycoerythrin sind an Protein gebundene blaue und rote Pigmente der Rotalgen.

Lichtabsorption:  Phycoerythrin im grünen Bereich;  Phycocyanin im roten Bereich.

Nachdem wir uns nun die einzelnen Blattpigmente und deren Absorptionseigen-schaften genauer betrachtet haben, wollen wir einmal diese und das Aktions-spektrum miteinander vergleichen.

Die Kurven sind fast identisch. Daraus können wir den Schluß ziehen, daß die Chlorophylle und Carotinoide am photosynthetischen Prozess beteiligt sind

Wir wollen nun einen Blattextrakt herstellen, analysieren und uns die Wechselwirkung der Pigmente mit dem Licht auf molekularer Ebene genauer ansehen.

 

 

 

Abb. 11

Licht- und Schattenpflanze


 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 12

Licht- und CO2-Abhängigkeit
der Photosynthese


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 13

Temperaturabhängigkeit der Photosynthese

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 14

Eigenschaften von Licht als Welle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 15

Absorption eines Pigments

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 16

Absorption der Blattfarbstoffe

 

Chlorophyll a

alle grünen Pflanzen

Chlorophyll b, (c,d,e in Algen)

nur in Kormophyten und Grünalgen

a, b, g Carotin

siehe oben

Xanthophylle

siehe oben

Phycoerythrin

Rotalgen, Blaualgen

Phycocyanin

Rotalgen, Blaualgen

Bacterio-
chlorophyll

photosynthetisch aktive Bakterien

Die Carotine und Xanthophylle werden zu den Carotinoiden zusammengefaßt.

 

 

 

 

Abb. 17

Blätter mit Anthocyan

Pelargonidin-3-Glucosid
eines von ca. 250 bekannten Anthocyanen.

 

Abb. 18

Herbstblätter

Die braune Farbe am Ende des Farbwechsels kommt von abgebauten Stoffen.

 

 

Abb. 19

Chlorophyll

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Abb. 20 a

Carotinoide
b
- Carotin

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Abb. 20b

Xanthophylle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 21

Phycocyanin (links)
Alge mit Phycoerythrin

 

 

Abb. 22

Absorption - Aktion

 

 

 

 

Weiterführende Quellen:

Botanik:

http://www.uni-hamburg.de/~biologie/b_online/d00/inhalt.htm

Rotalgen:

http://www.ucmp.berkeley.edu/protista/rhodophyta.html

Blätter im Herbst

http://www.state.me.us/doc/foliage/foliage.htm

Anthocyane

http://pharm1.pharmazie.uni-greifswald.de/systematik/ergaenz/antcyane.htm

Alles über die Photosynthese

http://photoscience.la.asu.edu/photosyn/default.html

Lichtreaktion

http://esg-www.mit.edu:8001/esgbio/ps/light.html

Photosynthese

http://www.emc.maricopa.edu/bio/bio181/BIOBK/BioBookPS.html