Fotosynthese-Pigmente
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Fotosynthesepigmente sind Farbstoffe, die in Blättern von Pflanzen vorkommen und dazu da sind, Lichtenergie zu absorbieren. Die Lichtenergie wird dann in der Fotosynthese zur Bildung energiereicher Moleküle genutzt.
Neben dem bekannten Fotosynthesepigment Chlorophyll enthalten Blätter noch einige weitere Fotosynthese-Pigmente. Auch vom Chlorophyll gibt es mehrere sehr ähnliche Moleküle (Chlorophyll a und Chlosophyll b). Alle verschiedenen Fotosynthesepigmente absorbieren unterschiedliche Bereiche des Lichts, sodass die Pflanzen durch den Besitz mehrerer Fotosynthese-Pigmente einen größeren Antwil des Sonnenlichts zur Energiegewinnung nutzen können.
Chlorophylle sind grünliche Pigmente. Die Strukturen von Chlorophyll a und Chlosophyll b unterschieiden sich nur an einer Stelle. In der Mitte des sogenannten Porphyrinrings ist ein Magnesium-Ion durch die negativen Ladungen der Stickstoff-Atome gebunden.
Neben Chlorophyllen enthalten Blätter noch Carotinoide. Diese Pigmente haben einen gelblichen bis rötlichen Farbton. Da Blätter deutlich mehr Chlosophylle als Carotinoide enthalten, erscheinen sie insgesamt aber grün.
Carotinoide werden unterteilt in die beiden Hauptgruppen
- Carotine, die ausschließlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufgebaut sind,
- Xanthophylle, die zusätzlich Sauerstoff-Atome enthalten
Extraktion von Blattfarbstoffen
1. Einige Bätter werden kleingeschnitten und mit einem Mörser mit ein bisschen Sand zerrieben. Danach werden ca. 20 mL Aceton dazugegeben. Mit Hilfe des Sandes werden die Zellwände der Zellen zerstört und dadurch die Chloroplasten mit den darin enthaltenen Pigmenten freigelegt. Das Aceton fungiert als Extraktionsmittel für die Farbstoffe. Aceton ist ein recht polares Lösungsmittel ,das sich gut mit Wasser, dem Hauptbestandteil von Blattgewebe (60 - 90%) mischt und trotzdem die eher unpolaren Blattfarbstoffe lösen kann.
2. Danach wird die Lösung durch einen Papierfilter in ein kleines Becherglas filtriert.
3. Die Farbstoff-Lösung wird in einem Scheidetrichter mit 50 mL Petroleumbenzin (Gemisch aus völlig unpolaren Kohlenwasserstoffen, z.B. Pentan, Hexan, Heptan, Octan) überführt und extrahiert. Außerdem gibt man 10 mL NaCl-Lösung hinzu, wodurch die Acetonphase noch polarer wird und sich die unpolaren Fotosynthese-Pigmente nicht mehr im Aceton-Wasser-Gemisch lösen.
4. Man wäscht die organische Petroleumbenzinphase mehrmals mit NaCl-Lösung durch Schütteln im Scheidetrichter, um alle Acetonreste zu entfernen.
5. Schließlich setzt man zur Petroleumbenzin-Phase
wasserfreies Na2SO4 zu, um das in der Petroleumbenzin-Phase verbliebene Wasser zu entfernen. Die Na2SO4-Kristalle binden Wasser als Kristallwasser (Na2SO4 geht nicht in Lösung, es bleibt kristallin). Nur der wasserfreie Petroleumbenzin-Extrakt mit den darin gelösten Fotosynthese-Pigmenten bleibt zurück.
6. Das Petroleumbenzin wird am Rotationsverdampfer entfernt.
Anschließend wird eine Dünnschichtchromatographie durchgeführt, um die verschiedenen Fotosynthese-Pigmente zu trennen und zu identifizieren.
Übungen
Übung 1:
Ermittle die Funktionellen Gruppen (und die dazugehörigen Stoffgruppen) im Chlorophyll b-Molekül und im Neoxanthin-Molekül
Übung 2:
Zeichne das Violaxanthin-Molekül als vollständige Strukturformel
Übung 3:
Abbildung 9 zeigt das Ergebnis einer Dünnschichtchromatographie der Fotosynthese-Pigmente, die in den Abbildungen 2-8 dargestellt sind. (Kieselgelplatte, Laufmittel: Petrolether, Isopropanol, Wasser [100:10:0.25]).
a) Erläutere, wieso auf der DC-Platte nur 6 Substanzen zu erkennen sind.
b) Ordne die 7 Fotosynthese-Pigmente (siehe Abb. 2-8) begründet den Nummern 1 bis 6 in Abb. 9 zu.
Übung 4:
Abbildung 10 veranschaulicht den Effekt der Zugabe der NaCl-Lösung auf die Aceton-Wasser-Phase in Schritt 3 der Durchführung der Extraktion der Fotosynthese-Pigmente (das Petroleumbenzin ist hier nicht dargestellt). Erläutere den Effekt, den die Salzzugabe hat. Recherchiere dazu evtl. im Internet den Begriff "Aussalzen".
Übung 5:
Aceton hat genauso wie Petroleumbenzin einen recht niedrigen Siedepunkt und ließe sich gut am Rotationsverdampfer abdestillieren. Erläutere, wieso nicht schon nach Schritt 2 in der Durchfhrung der Extraktion das Aceton am Rotationsverdampfer abdestilliert wird, sondern die Fotosynthese-Pigmente stattdessen in Petroleumbenzin überführt werden, das dann am Ende abdestilliert wird.
Übung 6:
In Abbildung 11 ist ein IR-Spektrum von Zeaxanthin dargestellt. Ordne alle im Spektrum mit Wellenzahlen markierten Peaks die möglichen dazugehörigen funktionellen Gruppen und Stoffklassen zu.
