Chromatografie und Wirkungsspektrum

Pigmente trennen: die Chromatografie

Ein Blattextrakt (z. B. aus Spinat) ist ein Gemisch aus mehreren Pigmenten. Die Chromatografie trennt es auf. Du trägst den Extrakt als Startpunkt auf Papier oder eine Dünnschichtplatte auf. Die Platte steht in einem Laufmittel, das durch Kapillarkräfte nach oben wandert und die Pigmente unterschiedlich weit mitnimmt.

Der Grund: Jedes Pigment haftet unterschiedlich stark an der stationären Phase (Platte) und löst sich unterschiedlich gut im Laufmittel (mobile Phase). Gut lösliche, unpolare Pigmente wandern weit, stärker haftende bleiben weiter unten. So ist Carotin unpolar und hat einen hohen Rf-Wert (ca. 0,95), das polarere Chlorophyll b haftet stärker an der Platte und hat einen niedrigeren Rf-Wert (ca. 0,60).

Zur Identifikation berechnest du den Rf-Wert (Retentionsfaktor). Die Laufstrecke eines Flecks misst du vom Startpunkt bis zur Mitte des Flecks, die Laufstrecke des Laufmittels vom Startpunkt bis zur Laufmittelfront (in der Abbildung: a bzw. b):

Absorptions- und Wirkungsspektrum

Weißes Licht enthält alle Wellenlängen. Ein Pigment verschluckt (absorbiert) nur bestimmte davon. Die übrigen Anteile werden durchgelassen oder reflektiert, und sie bestimmen die Farbe, die wir sehen. Blätter erscheinen grün, weil Chlorophyll rotes und blauviolettes Licht stark absorbiert, grünes Licht aber kaum.

Die Kurven stimmen nicht exakt überein. Das Wirkungsspektrum zeigt auch Aktivität dort, wo Chlorophyll a wenig absorbiert. Der Grund: Weitere Pigmente (Chlorophyll b, Carotinoide) nehmen Licht auf und geben die Energie an Chlorophyll a weiter.

Der Engelmann-Versuch

Theodor W. Engelmann wollte 1881 wissen, welches Licht die Fotosynthese antreibt. Er legte eine Fadenalge mit einem bandförmigen Chloroplasten unter ein Mikroskop und zerlegte das Licht mit einem Prisma in ein Spektrum. Aerobe Bakterien in der Umgebung dienten als Sauerstoffindikator.

Die Alge bildet bei Fotosynthese O₂. Die Bakterien brauchen Sauerstoff und sammeln sich dort, wo viel O₂ entsteht. Die Bakterienhäufung zeigt also die Fotosyntheserate je Wellenlänge, und das ist das Wirkungsspektrum.

Ergebnis: Die Bakterien häufen sich im blauvioletten und im roten Bereich, im grünen kaum. Das passt zum Absorptionsspektrum der Chlorophylle. Man schließt daraus: Die Wellenlängen, die Chlorophylle absorbieren, werden im Wesentlichen für die Fotosynthese genutzt.

Carotinoide und Angepasstheit der Pigmente

Carotinoide haben zwei Funktionen. Sie sind Hilfspigmente und erweitern den nutzbaren Spektralbereich. Zusätzlich schützen sie: Bei starker Strahlung nehmen sie überschüssige Energie von angeregtem Chlorophyll auf und geben sie als Wärme ab. So verhindern sie die Bildung aggressiver Sauerstoffradikale, die Membranen und Proteine schädigen würden. Carotinoide geben ihre Energie nur zum Teil an Chlorophyll a weiter, ein Teil geht als Wärme verloren. Deshalb liegt das Wirkungsspektrum im Bereich der Carotinoid-Absorption (um 450 nm) niedriger als das Absorptionsspektrum des Rohextrakts.

Pigmente passen Lebewesen an ihren Lebensraum an. Im Meer wird rotes Licht schon in den obersten Metern absorbiert, in der Tiefe kommt vor allem blaugrünes Licht an. Rotalgen besitzen Phycoerythrine, die grünes Licht absorbieren, und nutzen so das Licht, das ihnen zur Verfügung steht. Eine Landpflanze mit nur Chlorophyllen hätte dort wenig nutzbares Licht und wäre nicht konkurrenzfähig.

Auch innerhalb einer Art gibt es Unterschiede. Ein Schattenblatt der Rotbuche hat ein niedrigeres Verhältnis Chlorophyll a : b (z. B. $2{,}5:1$) als ein Sonnenblatt ($3{,}5:1$). Chlorophyll b erweitert die Lichtausbeute im blauen Bereich (ca. 455 nm) und nutzt das diffuse, blaureiche Schattenlicht unter dem Blätterdach besser. Schattenblätter sind außerdem dünner, haben eine größere Blattfläche je Blattmasse, weniger Palisadenschichten und mehr Chlorophyll je Reaktionszentrum.

Zurück zum Anfang: Im Herbst wird Chlorophyll abgebaut, die beständigeren Carotinoide bleiben und färben die Blätter gelb bis orange.

Auf einen Blick

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

• $R_f = \frac{\text{Laufstrecke der Substanz}}{\text{Laufstrecke des Laufmittels}}$, immer $\le 1$, stoffspezifisch bei gleichen Bedingungen.

• Absorptionsspektrum: aufgenommenes Licht. Wirkungsspektrum: Fotosyntheserate je Wellenlänge am lebenden Objekt.

• Chlorophyll absorbiert rot und blauviolett, deshalb wirken Blätter grün. Carotinoide erweitern das Spektrum und schützen vor Strahlung.

• Engelmann: Bakterienhäufung zeigt O₂-Bildung und damit das Wirkungsspektrum.

• Pigmentausstattung ist eine Angepasstheit an das Lichtangebot (Rotalgen, Schattenblatt).