Die Primärprozesse der Photosynthese stellen aufgrund der für das Verständnis benötigten chemischen Grundlagen, aber auch wegen der Art und Weise der Darstellung in Lehrund Schulbüchern für Schüler ein schwieriges Thema dar. Der von EISING et al. (1998) angebotene Vorschlag eines molekular-strukturellen Ansatzes wird durch das vorgelegte Experiment veranschaulicht

Hesse, Manfred

Manfred Hesse

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Absorptionsverhalten der Chlorophylle in der Energiefalle der Photosynthese : Ein Modellexperiment

Latein und Griechisch in Nordrhein-Westfalen (LGNRW - E-Journal)

Zeitschrift für Didaktik der Biologie (ZDB) - Biologie Lehren und Lernen (Universität Bielefeld)

I D B   Münster • Ber. Inst. Didaktik Biologie 8 (1999), 69 - 76 69Absorptionsverhalten der Chlorophylle in derEnergiefalle der PhotosyntheseEin ModellexperimentManfred HesseKurzfassungDie Primärprozesse der Photosynthese stellen aufgrund der für das Verständnis benö-tigten chemischen Grundlagen, aber auch wegen der Art und Weise der Darstellung in Lehr-und Schulbüchern für Schüler ein schwieriges Thema dar. Der von EISING et al. (1998) an-gebotene Vorschlag eines molekular-strukturellen Ansatzes wird durch das vorgelegte Expe-riment veranschaulicht.1 EinleitungDie Primärprozesse der Photosynthese wurden in einem Beitrag von EISING etal. (1998) didaktisch grundsätzlich überarbeitet, um dieses für den Schülerschwierige Thema durch Einbeziehen der Molekular-Struktur der Thylakoid-membran zugänglicher und weniger abstrakt erläuterbar zu machen. Die kom-plexen Reaktionen werden dabei nach dem Prinzip der Struktur-Funktionsbeziehung dargestellt. Unter den Teilreaktionen „Absorption, Ener-gietransfer, Ladungstrennung“, „Wasseroxidation“ und „Elektronentransport,ATP-Bildung“ kommt der Lichtabsorption – auch unter übergreifenden schuli-schen Aspekten (z.B. HESSE, 1976) – eine besondere Stellung zu. Aus diesemGrund wird in Anlehnung an Thematik und Sachaussage des o.a. Artikels einModellversuch vorgeschlagen, der geeignet ist, die Lichtabsorption unter-schiedlicher Wellenlängen durch die dort vorgestellten Chlorophyll-„sorten“ zuveranschaulichen. In den gängigen Versuchsbeschreibungen zur Photosyntheseist dieser Versuch nicht enthalten (vgl. z.B. BEISENHERZ, 1992; BANNWARTH etal., 1996).70 M. HesseWesentlich ist dabei zu verstehen, dass ein übergreifendes Prinzip aufge-zeigt wird, nämlich die Erkenntnis, dass Funktionen (hier: der Photosynthese)an definierte Strukturen der Zelle gebunden sind (vgl. auch die Übersicht überdie Photosyntheseforschung bei DREWS, 1998). Werden diese Strukturen zer-stört, verändert oder gehen sie verloren (durch Extraktion), dann werden dieFunktionen auch verändert. Dieses Prinzip wird in der Literatur oftmals nichtexplizit erwähnt.2 Didaktische VorüberlegungenDie dargelegten Grundlagen sind stark gekürzt und beziehen sich lediglich aufdie Verhältnisse der Photosynthese, die für den beschriebenen Modellversuchrelevant sind. Diese Vorüberlegungen beziehen sich im Wesentlichen aufMÄNTELE, 1990; MOHR & SCHOPFER, 1992; RICHTER, 1998 und EISING et al.,1998.Antennenkomplex: Für die Primärprozesse der Photosynthese sind vierProteinkomplexe entscheidend, von denen nachfolgend nur die beiden Photosy-steme (PSI und PSII) berücksichtigt werden. Die Grundstruktur eines Photosy-stems, sowohl bei PSI als auch bei PSII, bildet ein Kernkomplex (Proteine undReaktionszentrum), um den sich ein Antennenkomplex aus Proteinen und Pig-menten (darunter etwa 200 bis 300 Chlorophyllmoleküle) befindet.Die Funktion des Antennenkomplexes besteht darin, eine größere Fläche fürdie Lichtabsorption, also zum „Energie-Einfangen“, zu bilden; diese Energiemuss anschließend (wie auch immer) zum Reaktionszentrum gelangen, wo siein chemische Energie umgeformt wird. EISING et al. (1998) diskutieren aus-führlich die Nachteile der Termini Trichtermodell, Lichtsammelfalle sowieEnergiesammelfalle. Sie halten „Energiefalle“ für die Beschreibung des „Ein-fangens“ der Energie für sachgerechter und eindeutiger.Absorption: Die Absorption der Pigmente1, die in der Thylakoidmembrangebunden sind, unterscheidet sich deutlich von der Absorption herausgelösterPigmente (z.B. mittels Aceton oder Alkoholen). Dieses Phänomen ist messbar2                                          1 Weißlicht ist eine Mischung aus Licht verschiedener Wellenlängen; das Gehirn erzeugt bei einerbestimmten Mischung dieser verschiedenen „Lichtqualitäten“ den Eindruck „Weiß“. OrganischeMoleküle mit vielen konjugierten Doppelbildungen haben die Fähigkeit, Licht bestimmter Spektral-bereiche zu absorbieren. Die nicht absorbierten Anteile des Spektrums bestimmen die Eigenfärbungdieser Moleküle, genannt Pigmente.2 Lichtabsorption wird mit einem Spektralphotometer gemessen. In diesen Geräten wird weißes Lichtin die einzelnen Spektralfarben zerlegt. Dieses Farblicht wird entweder kontinuierlich (z.B. von 400Absorptionsverhalten der Chlorophylle 71und kann in einem Absorptionsspektrum3 graphisch dargestellt werden (Abb. 1).Misst man die Absorption von Chlorophyll a und b in situ (in den Thylakoidendes Blattes), stellt man fest, dass die Maxima der Absorption, und zwar sowohlim blauen als auch im roten Bereich, im Vergleich zum Spektrum gelösterChlorophylle zum Langwelligen hin verschoben sind. Weiterhin zeigt sich, waszunächst noch überraschender ist, dass es eine ganze Reihe von Chlorophyllenmit unterscheidbarem Absorptionsverhalten gibt (Abb.  2).Abb. 1: Unterschiedliche Absorption von Chlorophyll a in Lösung (Ether) bzw. in Euglena-Chloroplasten (Spektrum gemessen bei -196 °C) (aus RICHTER, 1988, 104).Ursache hierfür muss die Bindung der Chlorophyllmoleküle an die Proteineder Thylakoidmembran sein (RICHTER, 1998, 93 u. 118; EISING et al., 1998).Bei dem Chlorophyll in der Membran und in der Lösung handelt es sich che-misch gesehen nämlich um das gleiche Molekül. Die Chlorophyllmoleküle – inForm von Pigment-Protein-Komplexen – besitzen also aufgrund der Wechsel-                                                                                                                                  bis 730 nm) durch die Farblösung gestrahlt oder nur Licht ausgewählter Wellenlängen (z.B. in Ab-ständen von einigen Nanometern). Anschließend wird die hinter der Lösung noch vorhandene Licht-menge gemessen und mit der eingestrahlten Lichtmenge verglichen.3 In derartigen Spektren wird auf der Ordinate der Umfang der Lichtabsorption für alle Wellenlängendes (i.d.R. sichtbaren) Lichtes (auf der Abszisse) abgetragen.72 M. Hessewirkung mit den Strukturen in den Thylakoiden andere Eigenschaften als au-ßerhalb (vgl. Abb. 2).Weitergabe der Energie: Die Energie wird in dem Antennenkomplex übermehrere, bis zu 100 und mehr Chlorophyllmoleküle „weitergegeben“, wobeisie jeweils von einem Molekül-Nachbarn, dessen Absorptionsmaximum etwaslangwelliger ist, empfangen wird, bis sie schließlich am Reaktionszentrum an-kommt.Warum ist das so?Bei dem Transfer der Energie von Molekül zu Molekül geht ein geringerTeil der Energie als Wärme verloren. Die Energieverhältnisse beim Licht sindaber derart zu beschreiben, dass entsprechend der Formel E = h1/ l  der Ener-Abb. 2: Spektroskopischer Nachweis mehrerer Chlorophyll-Protein-Komplexe in Thylakoi-den einer Grünalge (Chlorella). Das gemessene Tieftemperaturspektrum (gepunktete Linie)wurde mathematisch in GAUSSsche Verteilungskurven zerlegt: Es wurden vier Chloro-phyll a-Formen (im roten Bereich befindet sich das jeweilige Absorptionsmaximum bei 662,670, 677 und 684 nm) und zwei Chlorophyll b-Formen (640 und 650 nm) identifiziert. Der-artige Komplexe wurden für Grünalgen und höhere Pflanzen nachgewiesen (verändert nachMOHR & SCHOPFER, 1978, 147).Absorptionsverhalten der Chlorophylle 73giegehalt des Lichtes mit zu-nehmender Wellenlänge kleinerist. Am Ende der Energie-Transfer-Kette müssen alsoChlorophyllmoleküle mit län-gerwelligen Absorptionsmaxi-ma liegen. Das von diesen ab-sorbierbare Licht ist ener-gieärmer (langwelliger) als dasLicht am Anfang der Kette.In älteren Lehrbüchern (z.B.STRASBURGER, 1983) wurdendaraufhin die Chlorophylle inexakter Aufeinanderfolge ent-sprechend einer „Falle“ („trap-ping center“) angeordnet(Abb. 3). Diese Anordnung istnach EISING et al. (1998) je-doch nicht als strikte struktu-relle Anordnung zu verstehen;wir haben es also nicht mit ei-ner Art Reuse zu tun, sondernnur mit einer gewissen Aus-richtung der Pigmentmolekülezueinander – ihrem Absorpti-onsmaximum entsprechend.3 VersuchsvorschlagFragestellung: Wie kann man sich vorstellen, dass es Chlorophylle mit unter-schiedlichem Absorptionsmaximum, also mit unterschiedlicher Farbe, bei völ-lig identischem chemischen Bau gibt?Wir suchen analoge Beispiele: Z.B. sollte bei Schülern der SII-Stufe allge-mein bekannt sein, dass das Iod in alkoholischer/wässriger Lösung gelbbraun,mit Stärkelösung blau gefärbt erscheint. Wie ist diese Umfärbung zu erklären?Gibt es noch weitere Farbvarianten beim Iod? (Die den Namen gebenden vio-letten Dämpfe – griech. ioeides = veilchenfarbig – könnten im Chemieunter-richt der Klasse 7 gezeigt worden sein.)Abb. 3: Pigmentzusammensetzung des Photosy-stems I der höheren Pflanzen. Die Zahlen geben dasjeweilige Absorptionsmaximum im roten Bereich an(aus STRASBURGER, 1983, 241).74 M. HesseMaterialien:Reagenzgläser im Reagenzglasständer, Pipetten, Pipettierhilfen; Lösungs-mittel: Benzin, Ethanol (96 %ig), Wasser, Ether (z.B. Diethylether), Aceton,Toluol (evtl. Xylol); Stärkelösung (stark verdünnt); Iod als Lugol‘sche Lösung.Durchführung:Vorversuch: Stärkelösung und Iod zusammen pipettieren. Blaufärbung be-obachten und erklären.Versuch (nach Erläuterung des Vorversuchs): Zugabe von Iod in verschie-dene Lösungsmittel. Eine jeweils etwa gleich große Zugabemenge (von 0,1 bis1,0 ml) auf 10 ml Lösungsmittel erwies sich als sinnvoll.Beobachtung:Lösungsmittel Färbung (Besonderheiten)Benzin pink, bläulicha) (braungelber Tropfen am Grund des Rg)Toluol pink, rötlicha) (braungelber Tropfen am Grund des Rg)Ethanol, Wasser gelblichb)Aceton gelbb) (kräftiger als zuvor, „zitronenfarben“)Ether bräunlich-gelba) Besonders deutlich bei höherer Iod-Zugabe.b) Deutlicherer Unterschied bei geringer Iod-Zugabe.Erklärung:Iod-Stärke-Reaktion. Die Farbgebung wird durch Temperatur, Stärkeart,Kettenlänge und Amylopektinanteil beeinflusst. Die Farbe beruht auf derWechselwirkung des Iods mit der Stärke, wobei das Iod nicht innerhalb derWindungen eingelagert ist, wie vielfach beschrieben wird, sondern den Win-dungen folgend an der Helix angelagert ist (ausführliche Darlegung und Lite-ratur bei SCHRÖER & VOGT, 1996).Unpolare Lösungsmittel (ohne Sauerstoff; aliphatische Kohlenwasserstoffe;CCl4, CHCl3, CS2 [letztere jedoch nicht verwenden, siehe Sicherheitshinwei-se]): Leuchtend violette Färbung (Absorption: l max 520-540 nm); diese Lösun-gen enthalten wie der Dampf freie I2-Moleküle (RÖMPP, 1973; RIEDEL, 1990).Aromatische Lösungsmittel (u.a. Toluol, Xylol; Benzol [dieses jedoch nichtverwenden, siehe Sicherheitshinweise]): rote, auch rötlich-braune Färbung.Lösungsmittel (sauerstoffhaltig): Lösung erfolgt mit bräunlich-gelber bisbrauner Färbung ( l max 460-480 nm).Absorptionsverhalten der Chlorophylle 75Die Färbungen in den beiden letzten Lösungsmitteln sind auf Charge-Transfer-Komplexe zurückzuführen (GREENWOOD & EARNSHAW, 1988;RIEDEL, 1990). Hierbei erfolgt ein teilweiser Übergang eines Elektronenpaareseines Lösungsmittel-Moleküls (Donor) auf ein Iod-Molekül; p -Elektro-nensysteme und auch die einsamen Elektronenpaare des O-Atoms besitzen der-artige Donoreigenschaft.Sicherheitshinweise (vorwiegend nach HEDINGER, 1995):4 Iod: Gesundheitsschädlich durch Einatmen, reizt die Haut.4 Benzol: Nicht verwenden, da es Krebs erzeugen kann (Gruppe II der Ge-fahrstoffverordnung); giftig durch Einatmen, Hautkontakt.4 Schwefelkohlenstoff (CS2): „Giftig“. Gesundheitsschädlich durch Einat-men; eingeschränkte Beschäftigung mit diesem Stoff für Frauen (Schwan-gerschaft); nicht verwenden.4 Tetrachlorkohlenstoff (CCl4): „Giftig“. Von der Verwendung wird wegenmöglicher irreversibler Schäden und des Verdachts auf Karzinogenität ab-geraten.4 Chloroform (CHCl3): Gesundheitsschädlich durch Einatmen und Ver-schlucken; reizt die Haut. Von der Verwendung wird abgeraten.4 Toluol, Xylol ist gesundheitsschädlich durch Einatmen, reizt die Haut.4 Bei den verwendeten Stoffen ist die Gefährdung durch Leichtentzündlich-keit zu beachten (insbesondere bei Aceton, Ether – Abzug!).4 Sachgemäß entsorgen.4 Zusammenfassende BetrachtungIod-Moleküle haben jeweils mit dem umgebenden Medium – dem Lösungs-mittel – spezifische Wechselwirkungen, welche das Absorptionsverhalten desIods beeinflussen. Aus der unterschiedlichen Absorption resultiert, dass jeweilsvon eingestrahltem Weißlicht unterschiedliche Anteile des Spektrums reflek-tiert bzw. transmittiert werden. Diese Unterschiede können wir als Farbunter-schiede bei den verschiedenen Lösungsmitteln wahrnehmen.Ganz analog werden Chlorophyll-Moleküle durch Wechselwirkungen in derMembran (ebenso wie auch in Lösungsmitteln) in ihrem Absorptionsverhaltengeändert. Diese Änderungen sind jedoch mit dem Auge nicht wahrnehmbar undnur aufgrund der Analyse von Absorptionsspektren bei Tieftemperatur (sieheAbb. 2) nachweisbar.76 M. HesseZitierte LiteraturBANNWARTH, H., B.P. KREMER & D. MASSING (1996): Stoffe und Stoffwechsel. Biologische Ar-beitsbücher. Quelle und Meyer, Wiesbaden.BEISENHERZ, W. (1992): Lichtabhängige Reaktion der Photosynthese – Modellversuche. PdN-B 41(8), 15-20.DREWS, G. (1998): 200 Jahre Photosyntheseforschung. NR 51 (11), 417-424.EISING, R., S. HÖLZENBEIN & A. PREUß (1998): Wenn die Lichtreaktion im Dunkeln bleibt – ZurBehandlung der photosynthetischen Primärprozesse im Unterricht der Sekundarstufe II (Teil 1).In: Ber. Inst. Didakt. Biol. (IDB, Münster), 7, 53-72.GREENWOOD, N.N.  & A. EARNSHAW (1988): Chemie der Elemente. VCH, Weinheim.HEDINGER, A. (1995): Sicherheitsdatenblattsammlung. Stuttgart.HESSE, M. (1976): Demonstration von Fluoreszenz und Absorption bei experimentellen Untersu-chungen der Photosynthese. PdN-B 25 (7), 175-179.MÄNTELE, W. (1990): Photosynthese. Reaktionsmechanismen und Strukturen bei den Primärvorgän-gen. BiuZ 20, 85-93.MOHR, H. & P. SCHOPFER (1978, 1992): Pflanzenphysiologie. Springer, Berlin.RICHTER, G. (1988; 1998): Stoffwechselphysiologie der Pflanzen. Thieme, Stuttgart.RIEDEL, E. (1990): Anorganische Chemie. De Gruyter, Berlin.RÖMPPS CHEMIE-LEXIKON (1973): Bearbeitet v. E. ÜHLEIN. Frankh‘, Stuttgart.SCHRÖER, T. & H. VOGT (1996): Einfluß von Kupfersulfat auf die Stärkehydrolyse. In: Ber. Inst.Didakt. Biol. (IDB, Münster) 5, 91-101.STRASBURGER (1983): Lehrbuch der Botanik. Bearbeitet v. SITTE, P., H. ZIEGLER, F. EHRENDORFER& A. BRESINSKY. Fischer, Stuttgart.Verfasser: Prof. Dr. Manfred Hesse, Institut für Didaktik der Biologie, Fliednerstr. 21,48149 Münster; Fax: 0251-83-31330; hessema@uni-muenster.de

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