Chlorophyll a ist eine spezifische Form des Chlorophylls, die in der oxygenen Photosynthese verwendet wird . Es absorbiert den größten Teil der Energie aus violett-blauen und orange-roten Lichtwellenlängen und absorbiert grünes und farbnahes Licht nur schwach. [ 3 ] Chlorophyll reflektiert kein Licht, aber chlorophyllhaltiges Gewebe erscheint grün, da grünes Licht diffus von Strukturen wie Zellwänden reflektiert wird. [ 4 ] Dieses Photosynthesepigment ist für die Photosynthese in Eukaryoten , Cyanobakterien und Prochlorophyten aufgrund seiner Rolle als primärer Elektronendonator in der Elektronentransportkette essenziell . [ 5 ] Chlorophyll a überträgt außerdem Resonanzenergie im Antennenkomplex , die im Reaktionszentrum endet, wo sich die spezifischen Chlorophylle P680 und P700 befinden. [ 6 ]

Verteilung von Chlorophyll a

Chlorophyll a ist für die meisten photosynthetischen Organismen essenziell, um chemische Energie freizusetzen , aber nicht das einzige Pigment, das für die Photosynthese genutzt werden kann. Alle oxygenen photosynthetischen Organismen verwenden Chlorophyll a , unterscheiden sich jedoch in akzessorischen Pigmenten wie Chlorophyll b . [ 5 ] Chlorophyll a findet sich auch in sehr geringen Mengen in grünen Schwefelbakterien , einem anaeroben Photoautotrophen . [ 7 ] Diese Organismen nutzen Bakteriochlorophyll und etwas Chlorophyll a , produzieren aber keinen Sauerstoff. [ 7 ] Dieser Prozess wird als anoxygenische Photosynthese bezeichnet, im Gegensatz zur oxygenen Photosynthese , bei der während der Lichtreaktionen Sauerstoff produziert wird .

Molekülstruktur

Die Molekularstruktur von Chlorophyll a besteht aus einem Chlorinring , dessen vier Stickstoffatome ein zentrales Magnesiumatom umgeben , und weist mehrere weitere angehängte Seitenketten sowie einen Kohlenwasserstoffschwanz auf , der aus einem Phytolester gebildet wird .

Struktur des Chlorophyll- a- Moleküls mit Phytolschwanz

Chlorring

Chlorin , die zentrale Ringstruktur des Chlorophyll a

Chlorophyll a enthält ein Magnesiumion , das von einem großen Ring, dem Chlorin, umschlossen ist . Der Chlorinring ist eine heterocyclische Verbindung, die sich vom Pyrrol ableitet . Vier Stickstoffatome des Chlorins umgeben und binden das Magnesiumatom. Das Magnesiumzentrum definiert die Struktur eindeutig als Chlorophyllmolekül. [ 8 ] Der Porphyrinring des Bakteriochlorophylls ist gesättigt und weist keine alternierenden Doppel- und Einfachbindungen auf, was zu Unterschieden in der Lichtabsorption führt. [ 9 ]

Seitenketten

Die grün umrandete CH3- Gruppe ist die Methylgruppe an Position C-7 des Chlorophyll a.

An den Chlorinring der verschiedenen Chlorophyllmoleküle sind Seitenketten gebunden. Unterschiedliche Seitenketten charakterisieren die einzelnen Chlorophyllmoleküle und verändern deren Lichtabsorptionsspektrum. [ 10 ] [ 11 ] Beispielsweise besteht der einzige Unterschied zwischen Chlorophyll a und Chlorophyll b darin, dass Chlorophyll b an Position C-7 eine Aldehyd- anstelle einer Methylgruppe trägt . [ 11 ]

Kohlenwasserstoffrückstände

Der Phytolester des Chlorophyll a (R in der Abbildung) ist ein langer hydrophober Rest, der das Molekül an andere hydrophobe Proteine ​​in der Thylakoidmembran des Chloroplasten bindet . [ 5 ] Nach der Abspaltung vom Porphyrinring wird Phytol zur Vorstufe zweier Biomarker , Pristan und Phytan , die für die Geochemie und die Bestimmung von Erdölquellen von Bedeutung sind. [ 12 ]

Biosynthese

Der Biosyntheseweg von Chlorophyll a nutzt eine Vielzahl von Enzymen . [ 13 ] In den meisten Pflanzen wird Chlorophyll aus Glutamat gebildet und über einen verzweigten Stoffwechselweg synthetisiert, der auch für Häm und Sirohäm genutzt wird . [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] In den ersten Schritten wird Glutaminsäure in 5-Aminolävulinsäure (ALA) eingebaut; anschließend werden zwei ALA-Moleküle zu Porphobilinogen (PBG) reduziert , und vier PBG-Moleküle werden gekoppelt, wodurch Protoporphyrin IX entsteht. [ 8 ]

Die Chlorophyllsynthase [ 17 ] ist das Enzym, das die Biosynthese von Chlorophyll a [ 18 ] [ 19 ] durch Katalyse der Reaktion EC 2.5.1.62 vervollständigt.

Chlorophyllid a + Phytyldiphosphat → Chlorophyll a + Diphosphat

Dabei bildet sich ein Ester der Carbonsäuregruppe im Chlorophyllid a mit dem 20-Kohlenstoff - Diterpenalkohol Phytol .

Reaktionen der Photosynthese

Lichtabsorption

Lichtspektrum

Absorptionsspektrum von Chlorophyll a und Chlorophyll b . Die gemeinsame Verwendung beider erhöht die Lichtabsorption und damit die Energieausbeute.

Chlorophyll a absorbiert Licht im violetten , blauen und roten Wellenlängenbereich. Zusätzliche Photosynthesepigmente erweitern das Absorptionsspektrum und vergrößern so den für die Photosynthese nutzbaren Wellenlängenbereich. [ 5 ] Die Anlagerung von Chlorophyll b an Chlorophyll a erweitert das Absorptionsspektrum . Bei schwachem Licht produzieren Pflanzen ein höheres Verhältnis von Chlorophyll b zu Chlorophyll a , was die Photosyntheseausbeute erhöht. [ 10 ]

Lichtsammlung

Der Antennenkomplex mit Energietransfer innerhalb der Thylakoidmembran eines Chloroplasten. Chlorophyll a im Reaktionszentrum ist das einzige Pigment, das erhöhte Elektronen an einen Akzeptor weiterleitet (modifiziert nach 2).

Die Absorption von Licht durch photosynthetische Pigmente wandelt Photonen in chemische Energie um. Lichtenergie, die auf die Chloroplasten trifft, stimuliert die Pigmente in der Thylakoidmembran und regt deren Elektronen an. Da Chlorophyll -a- Moleküle nur bestimmte Wellenlängen absorbieren, können Organismen zusätzliche Pigmente nutzen, um ein breiteres Spektrum an Lichtenergie zu erfassen (siehe gelbe Kreise). [ 6 ] Das absorbierte Licht wird dann als Resonanzenergie von einem Pigment zum nächsten übertragen, bis es die speziellen Chlorophyll- a- Moleküle im Reaktionszentrum erreicht. [ 10 ] Diese speziellen Chlorophyll- a- Moleküle befinden sich sowohl im Photosystem II als auch im Photosystem I. Sie werden als P680 (Photosystem II) bzw. P700 (Photosystem I) bezeichnet. [ 20 ] P680 und P700 sind die primären Elektronendonatoren der Elektronentransportkette. Die beiden Systeme unterscheiden sich in ihren Redoxpotentialen für die Einelektronenoxidation. Der E <sub>m</sub>-Wert für P700 beträgt ungefähr 500 mV, während der E <sub>m</sub>-Wert für P680 ungefähr 1100–1200 mV beträgt. [ 20 ]

Primäre Elektronenspende

Chlorophyll a spielt eine wichtige Rolle in der Energiephase der Photosynthese. Für den Ablauf der Photosynthese müssen zwei Elektronen an einen Elektronenakzeptor abgegeben werden. [ 5 ] In den Reaktionszentren beider Photosysteme befindet sich jeweils ein Paar Chlorophyll- a- Moleküle, die über Redoxreaktionen Elektronen an die Transportkette weitergeben . [ 20 ]

Ozean

Die Konzentration von Chlorophyll A dient als Indikator für die Phytoplanktonbiomasse. Im Ozean enthalten alle Phytoplanktonarten das grünliche Pigment Chlorophyll.

Phytoplankton sind mikroskopisch kleine Organismen, die in aquatischen Umgebungen leben. Veränderungen in der Phytoplanktonmenge deuten auf Veränderungen in der Produktivität des Ozeans hin. Phytoplankton kann indirekt durch klimatische Faktoren wie Veränderungen der Wassertemperatur und der Oberflächenwinde beeinflusst werden. [ 21 ]

Siehe auch

Referenzen

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