Chromatografie und Wirkungsspektrum

Die Blattpigmente

Im Chloroplasten liegen mehrere Farbstoffe (Pigmente) in der Thylakoidmembran. Jedes Pigment absorbiert Licht bestimmter Wellenlängen. Der Rest wird reflektiert oder durchgelassen und bestimmt die Farbe, die wir sehen.

Grünes Licht (ca. 500–570 nm) wird kaum absorbiert, sondern reflektiert. Deshalb erscheinen Blätter grün. Die Carotinoide sind im Sommer vom Chlorophyll überdeckt. Im Herbst wird das Chlorophyll abgebaut, die Carotinoide bleiben und werden sichtbar.

Chromatografie und Rf-Wert

Ein Blattextrakt (z. B. aus Spinat) ist ein Gemisch aus Pigmenten. Die Chromatografie trennt es. Man trägt den Extrakt als Startpunkt auf eine Trennschicht (Papier oder Dünnschichtplatte) auf. Ein Laufmittel (z. B. Benzin-Aceton-Gemisch) steigt durch Kapillarkräfte nach oben und nimmt die Pigmente mit.

Die Trennung beruht auf zwei Eigenschaften: Wie gut löst sich ein Pigment im Laufmittel? Wie stark haftet es an der Trennschicht? Unpolare, gut lösliche Pigmente wandern weit mit dem Laufmittel, polare Pigmente haften stärker und bleiben weiter unten.

Beide Strecken werden vom Startpunkt aus gemessen. Der Rf-Wert liegt immer zwischen 0 und 1 und ist für ein Pigment unter gleichen Bedingungen charakteristisch. So lassen sich Pigmente mit Literaturwerten identifizieren.

Absorptions- und Wirkungsspektrum

Zwei Kurven werden oft verwechselt:

• Das Absorptionsspektrum zeigt, wie stark ein Pigment (oder ein Extrakt) Licht der Wellenlänge $\lambda$ absorbiert. Es wird mit einem Spektrometer gemessen. x-Achse: Wellenlänge in nm, y-Achse: Absorption (in %).

• Das Wirkungsspektrum zeigt, wie effektiv Licht der Wellenlänge $\lambda$ die Fotosynthese antreibt. x-Achse: Wellenlänge in nm, y-Achse: Fotosyntheserate (z. B. O₂-Produktion oder CO₂-Aufnahme).

Das Wirkungsspektrum folgt im Wesentlichen dem Absorptionsspektrum aller Pigmente zusammen. Nur absorbiertes Licht kann wirken. Abweichungen haben Gründe: Nicht alle absorbierenden Pigmente geben die Energie gleich gut an die Reaktionszentren weiter. Carotinoide leiten Energie nur teilweise weiter, schützen aber auch (siehe unten).

Der Versuch von Engelmann

Theodor W. Engelmann (1881) legte eine Fadenalge in einen Tropfen Wasser mit sauerstoffliebenden (aeroben) Bakterien. Mit einem Prisma zerlegte er Licht in Spektralfarben und ließ es auf den Faden fallen. Die Bakterien sammelten sich dort, wo viel Sauerstoff entstand, also bei intensiver Fotosynthese.

• Prinzip: Die Bakterien dienen als Sauerstoffindikator. Ihre Dichte zeigt die O₂-Produktion und damit die Fotosyntheserate je Wellenlänge.

• Ergebnis: Die meisten Bakterien liegen im blauen und im roten Bereich, kaum welche im Grünen. Das Wirkungsspektrum hat also Maxima im Blauen und Roten. Es passt zum Absorptionsspektrum von Chlorophyll.

Spektren deuten

Wirkungsspektrum und Chromatografie lassen sich verbinden: Die Chromatografie liefert die Pigmente, die Spektren zeigen, welche Wellenlängen sie nutzen.

Carotinoide: Lichtsammler und Schutz

Carotinoide absorbieren blaues Licht und leiten einen Teil der Energie weiter. Bei starkem Licht übernehmen sie außerdem eine Schutzfunktion: Sie nehmen überschüssige Energie von angeregtem Chlorophyll auf und geben sie als Wärme ab. Sie fangen auch reaktive Sauerstoffformen ab, die sonst Membranen und Proteine schädigen würden. Darum liegt im Rohextrakt die Absorption bei $450\,\text{nm}$ hoch, die Wirkung aber niedriger: Ein Teil der absorbierten Energie geht als Wärme verloren.

Angepasstheit an das Lichtangebot

• Rotalgen in der Tiefe: Dort kommt vor allem blaugrünes Licht an. Phycoerythrine absorbieren im grünen Bereich und leiten die Energie an Chlorophyll a weiter. Das Wirkungsspektrum ist bei $500$–$570\,\text{nm}$ hoch. Landpflanzen reflektieren grünes Licht und bekämen in der Tiefe zu wenig nutzbare Energie.

• Sonnen- und Schattenblatt der Rotbuche: Das Schattenblatt hat mehr Chlorophyll b (a : b = 2,5 : 1, Sonnenblatt 3,5 : 1). Im Schatten kommt Licht an, das durch Blätter gefiltert ist (relativ mehr Grün, wenig Blau und Rot). Chlorophyll b absorbiert im Blaubereich und ergänzt Chlorophyll a. Zu erwarten sind außerdem ein dünneres Blatt mit größerer Blattfläche, ein oft nur einschichtiges Palisadengewebe, weniger Chloroplasten pro Zelle, größere Grana mit mehr Thylakoiden und ein niedrigerer Kompensationspunkt.

Zurück zum Anfang: Im Herbst wird Chlorophyll abgebaut, Carotinoide bleiben und färben die Buchenblätter gelb. Grünes Licht nutzt die Fotosynthese kaum, weil Chlorophyll es nicht absorbiert, sondern reflektiert.

Auf einen Blick

• Blattpigmente: Chlorophyll a und b absorbieren Blau und Rot, Carotinoide Blau bis Blaugrün; Grün wird reflektiert.

• Chromatografie trennt Pigmente nach Löslichkeit im Laufmittel und Haftung an der Trennschicht.

• $R_f$ = Laufstrecke der Substanz : Laufstrecke des Laufmittels (immer vom Startpunkt, Wert zwischen 0 und 1).

• Absorptionsspektrum: Absorption gegen Wellenlänge. Wirkungsspektrum: Fotosyntheserate gegen Wellenlänge.

• Engelmann-Versuch: Aerobe Bakterien zeigen den Ort der O₂-Produktion und damit das Wirkungsspektrum.

• Carotinoide sind Hilfspigmente und Schutz vor Lichtschäden; Schattenblätter haben mehr Chlorophyll b, Rotalgen Phycoerythrine.