PHOTOSYNTHETISCHE PIGMENTE: EIGENSCHAFTEN UND HAUPTTYPEN - BIOLOGIE - 2025

Die photosynthetischen Pigmente sind chemische Verbindungen, die bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts absorbieren und reflektieren, wodurch sie "bunt" erscheinen. Verschiedene Arten von Pflanzen, Algen und Cyanobakterien haben photosynthetische Pigmente, die bei verschiedenen Wellenlängen absorbieren und unterschiedliche Farben erzeugen, hauptsächlich Grün, Gelb und Rot.

Diese Pigmente sind für einige autotrophe Organismen wie Pflanzen notwendig, da sie ihnen helfen, einen weiten Wellenlängenbereich zu nutzen, um ihre Nahrung in der Photosynthese zu produzieren. Da jedes Pigment nur mit einigen Wellenlängen reagiert, gibt es verschiedene Pigmente, mit denen mehr Licht (Photonen) eingefangen werden kann.

Eigenschaften

Wie bereits erwähnt, sind photosynthetische Pigmente chemische Elemente, die für die Absorption des Lichts verantwortlich sind, das für den Photosynthesevorgang erforderlich ist. Durch die Photosynthese wird die Energie der Sonne in chemische Energie und Zucker umgewandelt.

Sonnenlicht besteht aus verschiedenen Wellenlängen, die unterschiedliche Farben und Energieniveaus haben. Nicht alle Wellenlängen werden bei der Photosynthese gleichermaßen verwendet, weshalb es verschiedene Arten von Photosynthesepigmenten gibt.

Photosynthetische Organismen enthalten Pigmente, die nur die Wellenlängen des sichtbaren Lichts absorbieren und andere reflektieren. Der Satz von Wellenlängen, die von einem Pigment absorbiert werden, ist sein Absorptionsspektrum.

Ein Pigment absorbiert bestimmte Wellenlängen, und diejenigen, die es nicht absorbiert, werden reflektiert. Die Farbe ist einfach das von den Pigmenten reflektierte Licht. Zum Beispiel erscheinen Pflanzen grün, weil sie viele Chlorophyllmoleküle a und b enthalten, die grünes Licht reflektieren.

Arten von photosynthetischen Pigmenten

Photosynthetische Pigmente können in drei Typen unterteilt werden: Chlorophylle, Carotinoide und Phycobiline.

Chlorophylle

Chlorophylle sind grüne photosynthetische Pigmente, die in ihrer Struktur einen Porphyrinring enthalten. Sie sind stabile ringförmige Moleküle, um die sich Elektronen frei bewegen können.

Da sich Elektronen frei bewegen, kann der Ring leicht Elektronen gewinnen oder verlieren und daher andere Moleküle mit energetisierten Elektronen versorgen. Dies ist der grundlegende Prozess, durch den Chlorophyll Energie aus dem Sonnenlicht "einfängt".

Arten von Chlorophyllen

Es gibt verschiedene Arten von Chlorophyll: a, b, c, d und e. Von diesen kommen nur zwei in den Chloroplasten höherer Pflanzen vor: Chlorophyll a und Chlorophyll b. Das wichtigste ist Chlorophyll "a", da es in Pflanzen, Algen und photosynthetischen Cyanobakterien vorhanden ist.

Chlorophyll "a" ermöglicht die Photosynthese, indem es seine aktivierten Elektronen auf andere Moleküle überträgt, die Zucker bilden.

Eine zweite Art von Chlorophyll ist Chlorophyll "b", das nur in sogenannten Grünalgen und Pflanzen vorkommt. Chlorophyll "c" kommt seinerseits nur in den photosynthetischen Mitgliedern der Chromista-Gruppe wie Dinoflagellaten vor.

Die Unterschiede zwischen den Chlorophyllen in diesen Hauptgruppen waren eines der ersten Anzeichen dafür, dass sie nicht so eng miteinander verwandt waren wie bisher angenommen.

Die Menge an Chlorophyll "b" beträgt etwa ein Viertel des gesamten Chlorophyllgehalts. Chlorophyll "a" kommt seinerseits in allen photosynthetischen Pflanzen vor, weshalb es als universelles photosynthetisches Pigment bezeichnet wird. Es wird auch als primäres photosynthetisches Pigment bezeichnet, da es die primäre Reaktion der Photosynthese ausführt.

Von allen Pigmenten, die an der Photosynthese beteiligt sind, spielt Chlorophyll eine grundlegende Rolle. Aus diesem Grund sind die restlichen photosynthetischen Pigmente als akzessorische Pigmente bekannt.

Die Verwendung von Zusatzpigmenten ermöglicht es, einen größeren Wellenlängenbereich zu absorbieren und somit mehr Energie aus dem Sonnenlicht einzufangen.

Carotinoide

Carotinoide sind eine weitere wichtige Gruppe von photosynthetischen Pigmenten. Diese absorbieren violettes und blaugrünes Licht.

Carotinoide liefern die hellen Farben, die Früchte präsentieren; Zum Beispiel ist das Rot in Tomaten auf das Vorhandensein von Lycopin zurückzuführen, das Gelb in Maissamen wird durch Zeaxanthin verursacht und das Orange in Orangenschalen ist auf β-Carotin zurückzuführen.

Alle diese Carotinoide sind wichtig, um Tiere anzulocken und die Verbreitung der Pflanzensamen zu fördern.

Wie alle photosynthetischen Pigmente helfen Carotinoide, Licht einzufangen, erfüllen aber auch eine andere wichtige Funktion: die Beseitigung überschüssiger Sonnenenergie.

Wenn ein Blatt eine große Energiemenge erhält und diese Energie nicht verwendet wird, kann dieser Überschuss die Moleküle des Photosynthesekomplexes schädigen. Carotinoide sind daran beteiligt, überschüssige Energie zu absorbieren und sie als Wärme abzuleiten.

Carotinoide sind im Allgemeinen rote, orangefarbene oder gelbe Pigmente und umfassen die bekannte Verbindung Carotin, die Karotten ihre Farbe verleiht. Diese Verbindungen bestehen aus zwei kleinen Sechs-Kohlenstoff-Ringen, die durch eine "Kette" von Kohlenstoffatomen verbunden sind.

Aufgrund ihrer Molekülstruktur lösen sie sich nicht in Wasser, sondern binden an Membranen in der Zelle.

Carotinoide können die Lichtenergie nicht direkt für die Photosynthese nutzen, sondern müssen die absorbierte Energie auf das Chlorophyll übertragen. Aus diesem Grund gelten sie als Zusatzpigmente. Ein weiteres Beispiel für ein gut sichtbares Zusatzpigment ist Fucoxanthin, das Meeresalgen und Kieselalgen ihre braune Farbe verleiht.

Carotinoide können in zwei Gruppen eingeteilt werden: Carotine und Xanthophylle.

Carotine

Carotine sind organische Verbindungen, die als Pigmente in Pflanzen und Tieren weit verbreitet sind. Ihre allgemeine Formel lautet C40H56 und sie enthalten keinen Sauerstoff. Diese Pigmente sind ungesättigte Kohlenwasserstoffe; Das heißt, sie haben viele Doppelbindungen und gehören zur Isoprenoidreihe.

In Pflanzen verleihen Carotinen Blüten (Ringelblume), Früchten (Kürbis) und Wurzeln (Karotten) gelbe, orange oder rote Farben. Bei Tieren sind sie in Fetten (Butter), Eigelb, Federn (Kanarienvogel) und Muscheln (Hummer) sichtbar.

Das häufigste Carotin ist β-Carotin, das der Vorläufer von Vitamin A ist und für Tiere als sehr wichtig angesehen wird.

Xanthophylle

Xanthophylle sind gelbe Pigmente, deren Molekülstruktur der von Carotinen ähnelt, jedoch mit dem Unterschied, dass sie Sauerstoffatome enthalten. Einige Beispiele sind: C40H56O (Cryptoxanthin), C40H56O2 (Lutein, Zeaxanthin) und C40H56O6, das oben erwähnte charakteristische Fucoxanthin von Braunalgen.

Carotine sind im Allgemeinen orangefarbener als Xanthophylle. Sowohl Carotine als auch Xanthophylle sind unter anderem in organischen Lösungsmitteln wie Chloroform, Ethylether löslich. Carotine sind in Schwefelkohlenstoff löslicher als Xanthophylle.

Funktionen von Carotinoiden

- Carotinoide wirken als Zusatzpigmente. Sie absorbieren Strahlungsenergie im mittleren Bereich des sichtbaren Spektrums und übertragen sie auf Chlorophyll.

- Sie schützen die Chloroplastenbestandteile vor dem bei der Photolyse von Wasser entstehenden und freigesetzten Sauerstoff. Carotinoide nehmen diesen Sauerstoff über ihre Doppelbindungen auf und ändern ihre Molekülstruktur in einen energiearmen (harmlosen) Zustand.

- Der angeregte Zustand von Chlorophyll reagiert mit molekularem Sauerstoff unter Bildung eines hochschädlichen Sauerstoffzustands, der als Singulettsauerstoff bezeichnet wird. Carotinoide verhindern dies, indem sie den angeregten Zustand von Chlorophyll ausschalten.

- Drei Xanthophylle (Violoxanthin, Antheroxanthin und Zeaxanthin) sind an der Ableitung überschüssiger Energie beteiligt, indem sie diese in Wärme umwandeln.

- Carotinoide machen Blumen und Früchte aufgrund ihrer Farbe für die Bestäubung und Verbreitung durch Tiere sichtbar.

Phycobiline

Phycobiline sind wasserlösliche Pigmente und kommen daher im Zytoplasma oder Stroma des Chloroplasten vor. Sie kommen nur in Cyanobakterien und Rotalgen (Rhodophyta) vor.

Phycobiline sind nicht nur für Organismen wichtig, die sie zur Absorption von Energie aus Licht verwenden, sondern werden auch als Forschungsinstrumente verwendet.

Wenn Verbindungen wie Pycocyanin und Phycoerythrin starkem Licht ausgesetzt werden, absorbieren sie die Energie des Lichts und setzen es frei, indem sie in einem sehr engen Wellenlängenbereich fluoreszieren.

Das durch diese Fluoreszenz erzeugte Licht ist so charakteristisch und zuverlässig, dass die Phycobiline als chemische "Tags" verwendet werden können. Diese Techniken werden in der Krebsforschung häufig verwendet, um Tumorzellen zu "markieren".

Verweise

1. Bianchi, T. & Canuel, E. (2011). Chemische Biomarker in aquatischen Ökosystemen (1. Aufl.). Princeton University Press.
2. Evert, R. & Eichhorn, S. (2013). Raven Biology of Plants (8. Ausgabe). WH Freeman und Company Publishers.
3. Goldberg, D. (2010). Barrons AP Biology (3. Aufl.). Barrons Bildungsreihe, Inc.
4. Nobel, D. (2009). Physikochemische und Umweltpflanzenphysiologie (4. Aufl.). Elsevier Inc.
5. Photosynthetische Pigmente. Wiederhergestellt von: ucmp.berkeley.edu
6. Renger, G. (2008). Primäre Prozesse der Photosynthese: Prinzipien und Apparate (IL. Ed.) RSC Publishing.
7. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologie (7. Aufl.) Lernen einbinden.