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Kurs: Biologie Bibliothek > Lerneinheit 13
Lektion 2: Die lichtabhängigen ReaktionenLicht und photosynthetische Pigmente
Eigenschaften von Licht. Wie Chlorophylle und andere Pigmente Licht absorbieren.
Einführung
Wenn du jemals zu lange in der Sonne gewesen bist und einen Sonnenbrand bekommen hast, kannst du dir wahrscheinlich vorstellen, wie immens die Energie der Sonne ist. Unglücklicherweise kann der menschliche Körper die Sonnenenergie nicht sonderlich nutzen, abgesehen von der Produktion von etwas Vitamin D (ein Vitamin, das in der Haut in Gegenwart von Sonnenlicht synthetisiert wird).
Pflanzen sind dagegen Experten darin, Lichtenergie einzufangen und sie für die Herstellung von Zucker durch einen Prozess namens Photosynthese zu nutzen. Dieser Prozess beginnt mit der Absorption von Licht durch spezialisierte organische Moleküle, genannt Pigmente, die in den Chloroplasten von Pflanzenzellen vorhanden sind. Hier betrachten wir Licht als eine Form von Energie und wir werden auch sehen, wie Pigmente - wie die Chlorophylle, die Pflanzen grün machen - diese Energie absorbieren.
Was ist Lichtenergie?
Licht ist eine Form von elektromagnetischer Strahlung, eine Art von Energie, die sich in Wellen ausbreitet. Andere Arten von elektromagnetischer Strahlung, denen wir in unserem täglichen Leben begegnen, sind Radiowellen, Mikrowellen und Röntgenstrahlen. Zusammen bilden alle Arten elektromagnetischer Strahlung das elektromagnetische Spektrum.
Jede elektromagnetische Welle hat eine bestimmte Wellenlänge, der Abstand von einem Bergkamm zum nächsten, und verschiedene Arten von Strahlung decken unterschiedliche charakteristische Bereiche an Wellenlängen (wie in der Abbildung unten gezeigt) ab. Strahlungsarten mit langen Wellenlängen, wie beispielsweise Radiowellen, besitzen weniger Energie als Strahlungsarten mit kurzen Wellenlängen, wie zum Beispiel Röntgenstrahlen.
Das sichtbare Spektrum ist der einzige Teil des elektromagnetischen Spektrums, der vom menschlichen Auge gesehen werden kann. Es umfasst elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge zwischen etwa 400 nm und 700 nm liegt. Das sichtbare Licht der Sonne erscheint weiß, aber es besteht tatsächlich aus mehreren Wellenlängen (Farben) von Licht. Du kannst diese verschiedenen Farben sehen, wenn weißes Licht durch ein Prisma geht: Weil die verschiedenen Lichtwellenlängen beim Durchgang durch das Prisma in verschiedenen Winkeln gebrochen werden, verteilen sie sich und bilden das, was wir als Regenbogen sehen. Rotes Licht hat die längste Wellenlänge und die geringste Energie, während violettes Licht die kürzeste Wellenlänge und die größte Energie hat.
Obwohl Licht und andere Formen elektromagnetischer Strahlung unter vielen Bedingungen als Wellen agieren, können sie sich unter anderen wie Teilchen verhalten. Jedes Teilchen der elektromagnetischen Strahlung, genannt Photon, besitzt eine bestimmte Menge an Energie. Strahlungstypen mit kurzen Wellenlängen haben energiereiche Photonen, während Strahlungsarten mit langen Wellenlängen niederenergetische Photonen besitzen.
Pigmente absorbieren Licht für die Photosynthese
Bei der Photosynthese wird die Energie der Sonne durch photosynthetische Organismen in chemische Energie umgewandelt. Die verschiedenen Wellenlängen im Sonnenlicht werden jedoch nicht alle gleichermaßen bei der Photosynthese verwendet. Stattdessen enthalten photosynthetische Organismen lichtabsorbierende Moleküle, die als Pigmente bezeichnet werden und nur spezifische Wellenlängen von sichtbarem Licht absorbieren, während sie andere reflektieren.
Der Wellenlängenbereich, den ein Pigment absorbiert, ist sein Absorptionsspektrum. In der Abbildung kannst du die Absorptionsspektren dreier wichtiger Pigmente der Photosynthese sehen: Chlorophyll a, Chlorophyll b und β-Carotin. Die Wellenlängen, die ein Pigment nicht absorbiert, werden reflektiert. Das reflektierte Licht ist das, was wir als Farbe sehen. Pflanzen erscheinen uns zum Beispiel grün, weil sie viel Chlorophyll a- und b-Moleküle enthalten, die grünes Licht reflektieren.
Die meisten photosynthetischen Organismen besitzen eine Vielzahl an verschiedenen Pigmenten, sodass sie Energie aus einem breiten Bereich von Wellenlängen absorbieren können. Im folgenden schauen wir uns zwei Gruppen von Pigmenten an, die für Pflanzen wichtig sind: Chlorophylle und Carotinoide.
Chlorophylle
Es gibt fünf Haupttypen von Chlorophyllen: Chlorophylle a, b, c und d sowie ein verwandtes Molekül, das Bacteriochlorophyll, das in Prokaryoten vorkommt.
In Pflanzen sind Chlorophyll a und Chlorophyll b die wichtigsten photosynthetischen Pigmente. Chlorophyllmoleküle absorbieren blaue und rote Wellenlängen, wie durch die Peaks im Absorptionsspektrum oben gezeigt wird.
Chlorophyllmoleküle bestehen aus einem hydrophoben ("wasserfürchtenden") Schwanz, der in die Thylakoidmembran hineinragt, und einem Kopf aus einem Porphyrinring (eine kreisförmige Gruppe von Atomen, die ein Magnesiumion umgibt), der Licht absorbiert.
Obwohl sowohl Chlorophyll a als auch Chlorophyll b Licht absorbieren, spielt Chlorophyll a eine einzigartige und entscheidende Rolle bei der Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie (wie du im Artikel lichtabhängige Reaktionen erfahren wirst). Alle photosynthetischen Pflanzen, Algen und Cyanobakterien enthalten Chlorophyll a, während nur Pflanzen und Grünalgen Chlorophyll b enthalten, zusammen mit einigen Arten von Cyanobakterien.
Wegen der zentralen Rolle von Chlorophyll a bei der Photosynthese werden alle anderen, zusätzlich zu Chlorophyll a verwendeten Pigmente als akzessorische Pigmente bezeichnet – einschließlich anderer Chlorophylle sowie anderer Klassen von Pigmenten wie den Carotinoiden. Die Verwendung von akzessorischen Pigmenten ermöglicht es, einen breiteren Wellenlängenbereich zu absorbieren und somit mehr Energie aus dem Sonnenlicht zu gewinnen.
Carotinoide
Carotinoide sind eine weitere wichtige Gruppe von Pigmenten, die violettes und blau-grünes Licht absorbieren (siehe die Abbildung des Spektrums oben). Die hell gefärbten Carotinoide, die in Früchten vorkommen – wie das Rot der Tomate (Lycopin), das Gelb der Maissamen (Zeaxanthin) oder das Orange einer Orangenschale (β-Carotin) – werden oft als "Werbung" verwendet, um Tiere anzulocken, die dabei helfen können, die Samen der Pflanze zu verteilen.
Bei der Photosynthese tragen Carotinoide dazu bei, Licht einzufangen, aber sie spielen auch eine wichtige Rolle bei der Beseitigung überschüssiger Lichtenergie. Wenn ein Blatt der vollen Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, erhält es sehr viel Energie. Wenn diese Energie nicht richtig verarbeitet wird, kann sie den Photosyntheseapparat beschädigen. Die Carotinoide in den Chloroplasten helfen, die überschüssige Energie zu absorbieren und als Wärme abzugeben.
Was bedeutet es, wenn ein Pigment Licht absorbiert?
Wenn ein Pigment ein Photon absorbiert, wird es erregt, was bedeutet, dass es zusätzliche Energie besitzt und nicht mehr in seinem normalen Grundzustand ist. Auf subatomarer Ebene bedeutet eine Anregung, dass ein Elektron in ein höherenergetisches Orbital befördert wird, das weiter vom Kern entfernt liegt.
Nur ein Photon mit genau der richtigen Menge an Energie, um ein Elektron von einem Orbital in ein anderes zu befördern, kann ein Pigment anregen. Das ist tatsächlich der Grund, warum Pigmente unterschiedliche Lichtwellenlängen absorbieren: Die "Energielücken" zwischen den Orbitalen sind in jedem Pigment unterschiedlich, was bedeutet, dass in jedem Fall Photonen verschiedener Wellenlängen benötigt werden, um einen Energieschub zu erzeugen, der der Lücke entspricht.
Ein angeregtes Pigment ist instabil und es hat verschiedene "Optionen", um stabiler zu werden. Zum Beispiel kann es entweder seine zusätzliche Energie oder sein angeregtes Elektron an ein benachbartes Molekül übertragen. Wie diese beiden Prozesse funktionieren, werden wir im nächsten Abschnitt sehen: die lichtabhängigen Reaktionen.
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