Chlorophyll und biomolekulare Porphyrinkomplexe einfach erklärt

Pflanzen sind grün und unser Blut ist rot. Auf den ersten Blick haben ein Baum und ein Mensch nicht viel gemeinsam. Doch wenn wir auf die molekulare Ebene zoomen, stellen wir fest, dass der grüne Farbstoff der Pflanzen und der rote Farbstoff in unserem Blut fast identische chemische Zwillinge sind!

In diesem Artikel zum Thema Chlorophyll und biomolekulare Porphyrinkomplexe lüften wir das Geheimnis des Chlorophylls. Du wirst lernen, wie Pflanzen mit Hilfe einer speziellen Komplexverbindung Sonnenlicht einfangen und warum ein winziger Austausch eines einzigen Atoms in der Mitte dieses Moleküls den Unterschied zwischen einer Pflanze und einem Tier ausmacht.

Vorwissen

• Komplexverbindungen: Moleküle, die aus einem zentralen Metallion (Zentralion) und daran gebundenen Molekülen oder Ionen (Liganden) bestehen.

  Beispiel: Ein Kupfer-Ion in der Mitte, umgeben von Wassermolekülen als Liganden.

• Hämoglobin: Der rote Blutfarbstoff, der für den Sauerstofftransport zuständig ist.

  Beispiel: Hämoglobin ist ein Komplex mit einem $\text{Fe}^{2+}$-Ion im Zentrum.

Aufgabentyp 1: Struktur und Funktion von Chlorophyll und Phäophytinen

Chlorophyll ist das grüne Pigment in den Chloroplasten der Pflanzen. Es ist absolut essenziell für die Photosynthese. Bei diesem Prozess nimmt das Chlorophyll Lichtenergie auf und wandelt sie in chemische Energie um (eine sogenannte endergonische Reaktion, da Energie von außen zugeführt werden muss).

Chemisch gesehen ist Chlorophyll eine Komplexverbindung. Es besteht aus einem riesigen Liganden (dem Porphyrinring, den wir uns gleich genauer ansehen) und einem Zentralion. Das Zentralion im Chlorophyll ist ein Magnesium-Ion ($\textcolor{#53E5D6}{\text{Mg}^{2+}}$).

Es gibt verschiedene Arten von Chlorophyll (wie Chlorophyll a und b). Sie unterscheiden sich nur durch winzige Anhängsel (Substituenten) außen am großen Ligandenring, das Grundgerüst bleibt aber gleich.

Was passiert, wenn Chlorophyll mit Säure in Kontakt kommt? Säuren enthalten viele $\text{H}^+$-Ionen. Wenn diese auf Chlorophyll treffen, verdrängen sie das Magnesium-Ion aus der Mitte des Komplexes. Das $\textcolor{#53E5D6}{\text{Mg}^{2+}}$ fällt heraus und wird durch zwei $\text{H}^+$-Ionen ersetzt. Das neue Molekül, das nun kein Magnesium mehr enthält, nennt man Phäophytin.

Phäophytine sind keineswegs kaputt oder nutzlos. In Pflanzen und bestimmten Bakterien (Purpurbakterien) arbeiten sie als wichtige Elektronenüberträger im Energiestoffwechsel der Photosynthese.

Durchgerechnete Beispiele

Aufgabentyp 2: Der Porphyrinring und Strukturvergleiche

Wir haben gelernt, dass Chlorophyll ein riesiger Komplex ist. Der große Ligand, der das Zentralion wie ein Ring umschließt, wird Porphyrinring genannt.

Was ist ein Porphyrin? Porphyrine sind große, ringförmige (cyclische) Moleküle. Sie gehören zu den aromatischen Verbindungen. Das bedeutet, sie besitzen ein extrem stabiles System aus 18 delokalisierten Elektronen. „Delokalisiert“ heißt, dass diese Elektronen nicht fest an einem Platz sitzen, sondern sich frei über den gesamten Ring bewegen können. Genau diese frei beweglichen Elektronen sind der Grund, warum Porphyrin-Komplexe so intensiv farbig sind!

Das einfachste Porphyrin, das quasi nur aus dem nackten Grundgerüst besteht und bei dem außen nur Wasserstoffatome hängen, nennt man Porphin.

Der große Vergleich: Blut vs. Blatt Erinnerst du dich an das Hämoglobin aus der letzten Lektion? Hämoglobin und Chlorophyll nutzen exakt dasselbe Porphyrin-Grundgerüst als Liganden! Der einzige wirklich entscheidende Unterschied ist das Zentralion, das in der Mitte sitzt:

• Hämoglobin (Blut): Hat ein Eisen-Ion ($\textcolor{#FF7D57}{\text{Fe}^{2+}}$) im Zentrum. Seine Aufgabe ist es, Sauerstoff im Körper zu transportieren.

• Chlorophyll (Pflanzen): Hat ein Magnesium-Ion ($\textcolor{#53E5D6}{\text{Mg}^{2+}}$) im Zentrum. Seine Aufgabe ist es, Licht für die Photosynthese einzufangen.

Ein winziger Austausch des Metalls in der Mitte verändert also die komplette Funktion des Moleküls und entscheidet darüber, ob es in einer Pflanze oder in einem Menschen arbeitet.

Wichtige Erkenntnisse

• Chlorophyll ist ein Komplex, der für die Photosynthese essenziell ist.
• Das Zentralion im Chlorophyll ist $\textcolor{#53E5D6}{\text{Mg}^{2+}}$.
• Gibt man Säure hinzu, wird das $\textcolor{#53E5D6}{\text{Mg}^{2+}}$ entfernt und es entsteht Phäophytin.
• Hämoglobin (mit $\textcolor{#FF7D57}{\text{Fe}^{2+}}$) und Chlorophyll nutzen beide denselben Liganden: den Porphyrinring.
• Porphyrine sind ringförmige, aromatische Moleküle mit 18 frei beweglichen (delokalisierten) Elektronen.