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Photosynthese : ein Vorbild effizienter Nutzung der Sonnenenergie |
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Bedenkt man, dass eine Bedeckung von nur zwei Prozent der sonst ungenutzten Wüstengürtel der Erde mit Sonnenenergiewandlern von nur einprozentigem Verstromungswirkungsgrad ausreichen würde, um den Energiebedarf der gesamten Weltbevölkerung in demselben Umfang zu befriedigen, wie es heute bei den Wohlstandsländern der Fall ist, so stellt - unabhängig davon, ob dieser Zustand in Wirklichkeit erstrebenswert wäre - die grosstechnische Erschliessung der Sonnenenergie als Ersatz für die herkömmlichen fossilen Brennstoffe eine der bedeutendsten Herausforderungen dieses Jahrhunderts dar. |
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Die 1873 von W. Smith entdeckte charakteristische Eigenschaft einiger Stoffe (der sogenannten Halbleiter), durch Einwirkung von Wärme oder Licht ihre Leitfähigkeit für den elektrischen Strom zu erhöhen, stellt die Grundlage für die Nutzung der auf die Erde einfallenden Sonnenenergie mit Hilfe von Solarzellen dar. Das Phänomen beruht auf der Bildung beweglicher Ladungsträger im Inneren des Halbleiters (bei den sogenannten n-Halbleitern beispielsweise sind es Elektronen) durch Energiezufuhr. Damit nun Licht in elektrischen Strom, also einen gerichteten Fluss von Ladungen, umgewandelt werden kann, müssen zwei wesentliche Voraussetzungen erfüllt sein : - Die lichtabsorbierende Substanz muss optische Anregungszustände besitzen, die hinreichend langlebig sind um eine wirksame Trennung der energiereichen Elektronen von den zurückgebliebenen positiven Ladungen zu ermöglichen. - Es muss ein gerichtetes elektrisches Feld existieren, das die Trennung vollzieht, bevor die Anregungsenergie durch Rekombination der Ladungsträger wieder verloren geht. Das setzt voraus, dass sich der Halbleiter in einer Umgebung befindet, die fähig ist, die beweglichen Elektronen aufzunehmen (z.B. die Grenzfläche zu einem anderen Halbleiter, der ein Defizit an negativen Ladungen aufweist (p-Halbleiter), oder einem Elektrolyt). Dann treten die Elektronen in das angrenzende Medium über, wodurch eine Potentialdifferenz (elektrische Spannung) gebildet wird, bzw. ein Strom durch das Elekrolyt fliesst. Diese Erscheinungen werden als Sperrschicht- oder photovoltaischer Effekt bzw. als Becquerel-Effekt bezeichnet (nach dem französichen Physiker Alexandre Edmond Becquerel, dem Vater des Entdeckers der Radioaktivität des Urans). Die freiwerdende elektrochemische Energie kann im Falle des photovoltaischen Effekts in Batterien gespeichert, im Falle des Becquerel-Effekts zur Spaltung des Wassers in Sauerstoff und Wasserstoff genutzt werden. Denselben Bedingungen unterliegen freilich biologische Systeme, die im Laufe der Evolution die Fähigkeit zum Aufbau chemischer Verbindungen durch Einwirkung von Licht (der sogenannten Photosynthese) erworben haben. Man nennt diese Organismen phototroph (aus jwto = Licht und trejw = ernähren). Derartige Lebewesen sind grundsätzlich von anderen Organismen zu unterscheiden, die zwar Sonnenenergie für den Stoffwechsel nutzbar machen, aber die absorbierte Energie nicht in Form von chemischen Verbindungen speichern, nämlich den in natürlichen Salzseen lebenden Halobakterien. Bei diesen Organismen besteht die eigentliche lichtinduzierte Reaktion in einer reversiblen Änderung der Struktur des Photorezeptors, bei der keine Trennung von elektrischen Ladungen stattfindet, und somit nicht mit der Funktionsweise einer Photozelle zu vergleichen ist. Im Folgenden sollen die bestehenden Analogien zwischen den Funktionsmechanismen künstlicher Sonnenzellen und lebender Organismen, welche zur Photosynthese befähigt sind, aufgezeichnet werden. Was ist Photosynthese? Die Fähigkeit, Sonnenlicht als Energiequelle zum Wachstum zu nutzen, ist neben den Algen und Grünen Pflanzen drei Gruppen von Bakterien eigen, nämlich den Cyano-, Purpur- und Grünen Bakterien. Die Purpur- und Grünen Bakterien, die man als Relikte aus der Frühzeit der Evolution der Photosynthese ansehen kann, können jedoch nicht - wie die Cyanobakterien und die Grünen Pflanzen - Wasser in seine konstituierenden Elemente (Sauerstoff und Wasserstoff) photolytisch zerlegen. Sie sind somit auf stärkere Wasserstoff-Donatoren (Schwefelwasserstoff oder organische Substrate) angewiesen. Folglich entwickeln diese Bakterien auch keinen Sauerstoff : Sie betreiben eine anoxygene Photosynthese. Derartige anaerobe Mikroorganismen sind in Süss- und Meerwasser breit verbreitet. Sie sind rot, orange oder grün gefärbte Einzeller, deren Färbung durch den Gehalt an Bakteriochlorophyllen und Carotinoiden verursacht wird. Vor mehr als zwei Milliarden Jahren entwickelten dagegen die Cyanobakterien die Fähigkeit, Wasser als Wasserstoff-Spender zu verwerten : Sie betreiben - wie die Grünen Pflanzen - eine oxygene Photosynthese, bei der neben organischen Stoffen Sauerstoff gebildet wird. Die paläontologische Forschung hat gezeigt, dass der gegenwärtig in der Erdatmosphäre zu 21% vorhandene Sauerstoff höchstwahrscheinlich biogener Herkunft ist, d. h. von Cyanobakterien und ihren biologischen Vorläufern aus Wasser bei der Photosynthese freigesetzt wurde. Die Entwicklung komplexer Organismen bis zum Menschen hin, welche ihren Stoffwechsel durch Atmung aufrechterhalten, wäre somit ohne die durch Photosynthese verursachte Änderung der Zusammensetzung der Erdatmosphäre nicht möglich gewesen. Ein "angeregter" Austausch Der Prozess der Photosynthese ist bei den verschiedenen Typen von phototrophen Organismen sehr ähnlich. Er beginnt mit der Aufnahme von Licht durch einen komplexen organischen Farbstoff, das Chlorophyll (bei Pflanzen "Blattgrün" genannt). Bei den meisten anaeroben phototrophen Bakterien übernimmt das Bakteriochlorophyll a (1) - bei einigen Purpurbakterien das Bakteriochlorophyll b (2) - dieselbe wichtige Rolle, welche das Chlorophyll a (3) bei Cyanobakterien, Algen und Grünen Pflanzen spielt. Das Chlorophyll absorbiert rotes Licht. Dadurch wird der Energiegehalt seiner Moleküle um den Energiebetrag des "einverleibten" Lichtteilchens (Photon) erhöht; sie werden in einen sogenannten Anregungszustand versetzt. Die Verteilung der Elektronen um die Atomkerne entspricht nun nicht mehr dem Zustand minimaler Energie. Das "angeregte" Chlorophyll-Molekül weist vielmehr ein Reduktionspotential auf, das ausreicht, um eine Folge von Reaktionen in Gang zu setzen: Das angeregte Chlorophyll wandelt die oxidierte Form des NADP+ (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-2'-Phosphat: 4) in die entsprechende reduzierte Form (NADPH: 5) um. Bei diesem Stoff handelt es sich um eine "Schlüsselverbindung", die an den meisten Oxidations- und Reduktionsprozessen in lebenden Zellen beteiligt ist. - Das NADPH reduziert nun Glycerinsäure-3-phosphat zu Glycerinaldehyd-3-phosphat, welche Bestandteile des sogenannten Calvin-Zyklus sind: dort wird Kohlendioxid aus der Atmosphäre fixiert und in Kohlehydrate des Organismus eingebaut. Der Mechanismus der Photosynthese besteht somit aus einer Lichtreaktion (die "Anregung" des Chlorophyll-Moleküls) und einer Kette von "Dunkelreaktionen", die sich hauptsächlich im Calvin-Zyklus abspielen. Vergleichbare Prozesse Der Primärprozess bei der Lichtreaktion der Photosynthese gleicht dem Reaktionsablauf in einer photogalvanischen Zelle. Dies wird in Abb.l verdeutlicht, in der zunächst das Bändermodell der Eigenleitung eines Halbleiters (a) und die Darstellung von Energiezuständen eines Moleküls (b) nebeneinandergestellt sind; in diesem Beispiel das Bakteriochlorophyll a, das in anaeroben phototrophen Bakterien vorkommt. Diese besitzen nur ein Photosystem; es entspricht funktionell dem sog. System I bei der oxygenen Photosynthese (c), die bei den Pflanzen Sauerstoff aus Wasser freizusetzen vermag. Bei Bestrahlung des Halbleiters (a) wird ein Elektron vom sog. Valenzband in das Leitungsband versetzt. Das entspricht der "Anregung" eines Farbstoffmoleküls (b), bei der ebenfalls ein Elektron von einem tieferen in einen höheren Energiezustand angehoben wird. Normalerweise dauert dieser Zustand aber eine unvorstellbar kurze Zeit: in 10-6 bis l0-9 Sekunden würde das Molekül (hier P840*) die Energie in Form von Licht wieder ausstrahlen (Fluoreszenz). Dafür, dass dieser "Rückfall" nicht geschieht, sorgt im Beispiel a) der Kontakt eines Halbleiters mit einem anderen Halbleiter oder einem Elektrolyten. Bei den anaeroben phototrophen Bakterien (b) gewährleistet eine ausgeklügelte Anordnung der Farbstoffmoleküle im Reaktionszentrum der Photosynthese, dass das angeregte Molekül (Bakteriochlorophyll) das Elektron an eine Elektronentransportkette abgibt, statt unter Lichtausstrahlung in seinen Grundzustand zurückzugehen. Für die Aufklärung der komplexen Struktur des Reaktionszentrums bei den Purpurbakterien wurden R. Huber, H. Michel und J. Deisenhofer 1988 mit dem Nobelpreis geehrt. Die Elektronentransportketten (in Abb.l durch symbolisiert) bestehen aus einer Reihe organischer Moleküle, die jeweils in reduzierter (elektronenreicher) oder oxidierter (elektronenarmer) Form vorkommen können. Beim gewählten Beispiel der Grünen Schwefelbakterien Abb. l b verändert sich das Bakteriochlorophyll (P840) nach der "Anregung" zunächst durch die Abgabe eines Elektrons, wobei das Radikal-Kation P840.+ gebildet wird. Dieses nimmt wiederum ein Elektron auf und kehrt in den Grundzustand zurück. Das Elektron stammt von den im Organismus vorhandenen Sulfid-Ionen, die sich zu elementarem Schwefel entladen. Daher der Name "Schwefelbakterien". Nach demselben Mechanismus könnte im Prinzip Sauerstoff freigesetzt werden, wenn das Oxidationspotential des P840O.+ausreichen würde, Wasser zu oxidieren. Der Vorteil einer solchen oxygenen Photosynthese ist offenkundig, denn Wasser steht in der Biosphäre nahezu unbegrenzt zur Verfügung. Wie löste die Natur das Problem der Nutzung dieser unerschöpflichen Energiequelle? Ein Spiel mit Licht und Wellenlängen Man hat die photosynthetische Sauerstoffproduktion bei Mikroalgen (Chlorella) in Abhängigkeit von der Wellenlänge des absorbierten Lichtes gemessen. Die Anzahl der Sauerstoffmoleküle, die je absorbiertes Photon freigesetzt werden, nennt man dabei die Quantenausbeute der Photosynthese. Diese fällt interessanterweise im Wellenlängenbereich ab 680 Nanometer (nm) stark ab, obwohl Licht dieser Wellenlänge auch noch vom Chlorophyll a absorbiert wird. Bei einer Wellenlänge von 700 nm, also gerade im Absorptionsmaximum des Reaktionszentrums, wird ein viel kleinerer Anteil der Photonen für die Photosynthese genutzt als bei kürzeren Wellenlängen. Bestrahlt man jedoch zusätzlich zum 700 nm-Licht mit einer Wellenlänge unter 680 nm, so steigt die Quantenausbeute stark an. Wirkt gleichzeitig Licht von 600 und 700 nm ein, so ist sie höher als die Summe der Ausbeuten mit jeder einzelnen Wellenlänge. Dieser zunächt paradox erscheinende Steigerungseffekt - nach seinem Entdecker Emerson-Effekt genannt - kann am einfachsten mit der Annahme einer zweiten Lichtreaktion gedeutet werden, welche mit dem Photosystem I gekoppelt ist und deren Reaktionszentrum bei Wellenlängen über 680 nm wenig oder überhaupt nicht absorbiert Abb. 1c. Das lichtaktive Pigment dieses Systems - Photosystem II genannt - ist auch Chlorophyll a, welches jedoch ein Lichtabsorptionsmaximum bei 680 nm aufweist. Woher kommt nun der Sauerstoff Bei der Anregung des Reaktionszentrums im Photosystem II finden dieselben Prozesse statt, die vorstehend erläutert worden sind. Das "angeregte" Chlorophyll a-Molekül (P680*) gibt aber sein Elektron nicht an das NADP+ ab, sondern - wiederum über eine Elektronentransportkette - an das Radikalkation des Photosystems I. Das dabei gebildete Radikalkation des Photosystems II (P680O.+) holt sich ein Elektron - auch über eine Elektronentransportkette - vom Wasser zurück. Durch die in Serie geschalteten Photosysteme I und II wird die Potentialdifferenz von 1.13 Volt erreicht, die für die "Lichtreaktion" der Photosynthese benötigt wird: H2O + NADP+ Þ 1/2 O2 + NADPH + H+ [1] Die "Dunkelreaktion" der Photosynthese, die sich im Calvin-Zyklus abspielt, lautet: CO2 + 2 NADPH + 2 H+ Þ (CH2O) + 2 NADP++ 2 H2O [2] wobei Formaldehyd (CH2O) nicht als solcher gebildet wird, sondern die monomere Einheit der Kohlenhydratmoleküle, die im Calvin-Zyklus synthetisiert werden, darstellt.
Durch Multiplikation der ersten Gleichung mit 2 und Addition der zweiten resultiert die Gesamtstoffbilanz der oxygenen Photosynthese :
CO2 + 2 H2O* Þ (CH2O) + O*2 + 2 H2O [3] Nun ist allgemein bekannt, dass Grünpflanzen Kohlendioxid (CO2) aufnehmen und Sauerstoff (O2) abgeben. Weniger bekannt ist, dass dies auf einem Umweg vor sich geht. Die Wassermoleküle, die auf beiden Seiten der letzten Gleichung vorkommen, haben keineswegs denselben Ursprung. In der Tat enthält der photosynthetische Sauerstoff alle Sauerstoffatome, die ursprünglich im Wasser enthalten sind, während die im zweiten Glied der Gleichung vorhandenen Wassermoleküle aus der Reduktion des Kohlendioxids stammen. Während der Photosynthese findet also keine Mischung der Sauerstoffatome, welche Bestandteile der Sauerstoff- und Kohlendioxidmoleküle sind, statt. Dasselbe gilt für die Atmung, bei der Kohlenhydrate (Zucker) mit Luftsauerstoff unter Abgabe von Energie und Freisetzung von Kohlendioxid und Wasser in den Mitochondrien "verbrannt" werden. Die Atmung stellt somit formal die Umkehrung der oxygenen Photosynthese dar. Wirkungsgrad der Photosynthese Für das hier beschriebene Modell der Photosynthese lässt sich die theoretisch zu fordernde Quantenausbeute leicht berechnen : Jedes Wassermolekül liefert zwei Elektronen und 1/2 Sauerstoffmoleküle Gleichung [1]. Jedem Elektron wird zweimal die Energie eines Photons zugeführt. Es sind daher theoretisch acht absorbierte Photonen erforderlich, um ein Molekül Sauerstoff freizusetzen. Messungen der Quantenausbeute bei verschiedenen Pflanzen haben übereinstimmend Werte zwischen 8 und 12 Photonen je Sauerstoffmolekül ergeben. Dies ist unter Berücksichtigung der experimentellen Schwierigkeiten solcher Messungen eine sehr gute Bestätigung für das Konzept von zwei kooperierenden Photosystemen bei der Lichtreaktion der oxygenen Photosynthese. Berechnet man die Effizienz der Photosynthese bei den Grünpflanzen als Verhältnis der gebildeten Biomasse zur einfallenden Sonnenenergie, so ergeben sich Werte zwischen maximal 10% (J. R. Bolton, 1977) und 3.6% (N. K. Boardman, 1977). Allerdings sind Grünpflanzen hochorganisierte Systeme, deren Aufbau sehr energieaufwendig ist, so dass eine einfache Relation dieser Art nicht unbedingt den Wirkungsgrad des photosynthetischen Prozesses widerspiegelt. Ferner soll der erhebliche Teil der Sonnenenergie, die Grünpflanzen verbrauchen, um Wasser zu verdampfen, bei der obigen Bilanz berücksichtigt werden. Bezogen auf die absorbierte Lichtmenge stellt die Photosynthese in der Tat einen hocheffizienten Prozess zur Speicherung der Sonnenenergie in Form von "organischen Brennstoffen" dar. Zur Biosynthese eines der geläufigen Kohlenhydratmoleküle (z.B. von Traubenzucker = Glucose) werden 6 CO2-Moleküle benötigt. Die dabei gespeicherte Energie ist gleich der experimentell leicht bestimmbaren Verbrennungswärme der Glucose (d. h. 684 Kcal / Mol). Setzt man für die Wellenlänge des photosynthetisch aktiven Lichtes den Näherungswert 600 nm, der einem Energiegehalt von 47.8 Kcal / Mol entspricht, ein, so beträgt die absobierte Energie 6(CO2-Moleküle) x 8 (Photonen) x 47.8 Kcal/Mol = 2286 Kcal/Mol je Glukosemolekül. Somit beträgt die Energiebilanz der Gesamtreaktion 684 : 2286 = 0.3 bzw. 30%. Demgegenüber erreichen kommerziell hergestellte Silicium-Sperrschicht-Photozellen, deren Investitionskosten heute noch bei 5 x 105 SFr / kWatt (etwa das tausendfache eines konventionellen Kraftwerkes) liegen, einen Wirkungsgrad von nur 14 %. Es ist somit naheliegend, dass die Entwicklung molekularer Systeme nach dem Vorbild des Photosyntheseapparats lebender Organismen von ausserordentlicher praktischer Bedeutung ist. Solarzellen oder "künstliche Blätter"? Die Idee, den Prozess der Photosynthese im Laboratorium nachzuvollziehen, ist gewiss nicht neu. Es gibt sogar einfache Systeme, mit denen unter Verwendung synthetischer Chlorophyll a-Dimere die Erzeugung eines elektrischen Photopotentials im Reagenzglas nachgewiesen werden kann (J.J. Katz, 1976). Die Realisierung eines "synthetischen Blattes" scheitert jedoch bis anhin an einer Reihe technischer und chemischer Probleme. Zunächst einmal muss man sich vergegenwärtigen, dass die Photosyntheseapparate der Lebewesen -sogar der eines Bakteriums - äussert komplexe Systeme darstellen. Das Chlorophyll-a-Dimer (in der angelsächsischen Terminologie special pair genannt), dessen Funktion durch zwei miteinander verknüpften Chlorophyll a-Moleküle im Reagenzglas-Versuch nachgeahmt wird, ist nur ein Teil des sogenannten "Reaktionszentrums" der Photosynthese. Auch letzteres stellt nur eine Komponente des Photosyntheseapparats dar, zu dem ausser dem ATP-synthetisierenden Enzym (ATP-Synthese) und den Enzymkomplexen, in denen die "Dunkelreaktionen" der Photosynthese (der Calvin-Zyklus) ablaufen, eine Reihe von Lichtsammelpigmenten gehören, welche den Bereich des für die Photosynthese brauchbaren Lichtes verstärken bzw. über die Grenzen der Absorption der Chlorophyll-Moleküle hinaus erweitern. Messungen der Sauerstoffproduktion in Abhängigkeit der Lichtintensität bei der Bestrahlung von Chlorella Zellen mit Lichtblitzen haben gezeigt, dass nur ein Chlorophyll a-Molekül unter 300 photosynthetisch aktiv ist (Emerson, 1932). Dies bedeutet, dass obwohl die meisten Chlorophyll a-Moleküle einer photosynthetischen Einheit Licht absorbieren, nur wenige von denen (diejenigen des "Reaktionszentrums") Licht- in chemische Energie umwandeln. Die Energieübertragung von den Chlorophyll a-Molekülen, die als Rezeptoren fungieren, zu denen, die im Reaktionszentrum aktiv sind, erfolgt äusserst rasch (innerhalb einiger Picosekunden). Darüber hinaus befinden sich in einer photosynthetischen Einheit andere Lichtsammelpigmente, deren Funktion darin besteht, Sonnenlicht zu absorbieren, das vom Chlorophyll-a nicht absorbiert wird, und somit das Wirkungsspektrum der Photosynthese zu erweitern. Alle diese Lichtsammelpigmente befinden sich entweder in der photosynthetischen Membran (Thylakoidmembran) oder in Organellen, welche an letztere gebunden sind. Bei den Grünpflanzen sind es hauptsächlich Chlorophyll b, das ca. 20% des gesamten Chlorophyllgehaltes ausmacht, sowie Carotinoide (7); bei den Rotalgen und Cyanobakterien sind es neben Carotinoiden Phycobiline, deren Chromophore (8 und 9) an diejenigen der Gallenfarbstoffe (der Abbauprodukte des Blutfarbstoffes in menschlichem und tierischem Organismus) erinnern. Im Arbeitskreis des Unterzeichneten sind die Chromophore (farbgebende Moleküle) dieser Pigmente zum ersten Male synthetisch hergestellt worden (A. Gossauer und W. Hirsch, 1974; A. Gossauer und R.-P. Hinze, 1978; A. Gossauer und J.-P. Weller, 1978; A. Gossauer und E. Klahr, 1979). Noch heute stellt die chemische Synthese dieser Farbstoffe gegenüber ihrer aufwendigen Isolierung aus natürlichen Quellen die Methode der Wahl dar, um über die zur Untersuchung ihrer chemischen und biologischen Eigenschaften nötigen Mengen zu verfügen. Wie bereits erwähnt, enthält das Reaktionszentrum der Photosynthese ausser den Chlorophyll a-Molekülen, die das special pair bilden, andere Stoffe, die dafür sorgen, dass die Elektronen der lichtangeregten Chlorophyll-Moleküle rasch in einer vorgegebenen Raumrichtung entfernt werden. Im Hinblick auf die Konstruktion eines "künstlichen Blattes" stellt die Konzeption einer effektiven Elektronentransportkette ein besonders heikles technisches Problem dar, denn Metalldrähte mit molekularen Dimensionen gibt es nicht. Durch Fällung von kolloidalem Platin auf isolierte Chloroplasten (Zellorganellen, in denen die Photosynthese stattfindet) ist jedoch ein photokatalytisches Material hergestellt worden, das bei Bestrahlung im Spektralbereich der Absorption des Chlorophylls Wasser in seine konstituierenden Elemente zu zersetzen vermag (E. Greenbaum, 1985). Eine Reihe interessanter "Supramoleküle", welche die Grundelemente der biologischen Elektronentransportketten (Chinone, Carotinoide, u. a.) beinhalten, sind ferner in jüngster Zeit von Chemikern synthetisiert worden (D. Gust und T. A. Moore, 1984; M. R. Wasielewski, 1985; Y. Sakata, 1985; A. Osuka, 1990, u. a.), deren Effizienz reicht jedoch noch nicht aus, um sie praktisch anzuwenden. Wenn der Herbst die Blätter "färbt" : Chlorophyll-Katabolismus Ein prinzipieller Nachteil der Mehrzahl organischer Farbstoffe, welcher ihre "Lebensdauer" und somit ihre praktische Anwendung in der Technik stark limitiert, ist ihre Empfindlichkeit gegenüber Sauerstoff. Bemerkenswerterweise sind Chlorophylle, die notwendigerweise dem bei der Photosynthese erzeugten Sauerstoff ausgesetzt sind, besonders oxidationsempfindlich. In biologischen Systemen wird dieser Nachteil durch zwei verschiedene Umstände wettgemacht: Erstens sind die Chlorophyll-Moleküle in den Zellorganellen (Chloroplasten bei den Pflanzen, die freiliegende Thylakoidmembran bei den Bakterien) durch akzessorische Pigmente (hauptsächlich Carotinoide) geschützt, die sowohl als Filter für die energiereichere UV-Strahlung des Sonnenlichtes als auch als "Auffänger" von freien Radikalen (darunter dem molekularen Sauerstoff) wirken. Zweitens werden vermutlich die Chlorophyll-Moleküle - ja sogar der ganze Photosyntheseapparat - so wie zahlreiche andere Bestandteile lebender Organismen - fortwährend de novo synthetisiert, so dass defekt gewordene Strukturen durch funktionsfähige ersetzt werden. Spielt diese stete Erneuerung der Bestandteile einer Zelle bei der Stoffumwälzung des Metabolismus für die Natur keine Rolle, ist sie dagegen für künstlich hergestellte Elemente unwirtschaftlich. Die Entwicklung stabilerer künstlicher Systeme setzt die Kenntnis der Mechanismen voraus, welche zur Zerstörung der photoaktiven Moleküle in der Natur führen. In der Tat aber sind die Prozesse, die jährlich auf der Erde und in den Meeren zum biologischen Abbau von schätzungsweise 109 Tonnen (!) Chlorophyll führen, nicht bekannt. Das faszinierende Farbenspiel, das Jahr für Jahr in der Waldlandschaft den Herbstbeginn ankündigt, beruht auf dem enzymatischen Abbau der Chlorophylle, die gelbe bzw. rote Färbung der Blätter wird nicht durch deren Spaltprodukte, sondern durch die in den veränderten Chloroplasten verbleibenden Carotinoide hervorgerufen. Wo befinden sich denn die aus dem Chlorophyll stammenden Abbauprodukte? Neueste Schweizer Forschungsergebnisse Bis vor einem Jahr musste diese Frage unbeantwortet bleiben. Erst Ende 1991 gelang es gleichzeitig zwei Schweizer Forschergruppen einen ersten Einblick in das Phänomen des Chlorophyll-Katabolismus zu gewinnen. Die Gruppe von Professor P. Matile (Institut für Allgemeine Botanik der Universität Zürich) isolierte aus Gerstenkeimpflanzen (Hordeum vulgare), die im Dunkeln gehalten wurden, das Pigment 9, dessen Struktur von B. Kräutler (Laboratorium für Organische Chemie der ETHZ) aufgeklärt wurde1. Im Rahmen der Forschungsarbeiten, die mit Unterstützung des Schweizerischen Nationalfonds im Institut für Organische Chemie der Universität Freiburg durchgeführt werden, war es zur gleichen Zeit gelungen, aus dem Kulturmedium der Mikroalge Chlorella prototechoides, die unter Stickstoffmangelbedingungen gezüchtet wurde, den Farbstoff 10 zu isolieren, seine Struktur aufzuklären (A. Gossauer und N. Engel, 1991) und letztere durch chemische Partialsynthese zu beweisen (A. Gossauer und J. Iturraspe, 1992). Das charakteristischste Merkmal beider Farbstoffe 9 und 10, ist die Stelle, an der das ringförmige Chlorophyll-Molekül oxidativ aufgespalten worden ist. Dennoch steht das Pigment 10 dem Chlorophyll a näher als 9, da beim letzteren die für Chlorophylle charakteristischen asymmetrischen Kohlenstoffatome, die bei 10 mit einem * gekennzeichnet sind, fehlen. Trotz der scheinbaren Ähnlichkeit beider Farbstoffe mit dem durch enzymatischen Abbau des Blutfarbstoffes (Hämoglobin) im menschlichen und tierischen Organismus gebildeten Gallenfarbstoff Biliverdin (11) deuten unsere bisherigen Untersuchungen darauf hin, dass der Mechanismus der Ringaufspaltung bei Pflanzen und Tieren verschieden ist. Ausblick In der Molekularbiologie hat sich die Untersuchung des Stoffwechsels von Mikroorganismen für die Aufklärung der Prozesse, die in den komplexeren eukaryotischen Zellen stattfinden, als besonders fruchtbar erwiesen. So beispielsweise stammt das heutige Wissen über den auch bei Menschen operierenden Mechanismus der Proteinbiosynthese hauptsächlich aus Untersuchungen des Metabolismus von Darmbakterien (Escherichia coli). Ebenso ist die Molekularstruktur des Reaktionszentrums der Photosynthese bisher "nur" bei Purpurbakterien (Rhodopseudomonas viridis) bekannt. Man geht davon aus, dass in den Grünpflanzen eine ähnliche Anordnung der wesentlichen Bestandteile vorliegt. Aus diesem Grunde bietet das Studium des Chlorophyll-Abbaus in Mikroalgen die Möglichkeit an, Methodologien anzuwenden (z.B. Einbau von isotopenangereicherten Substraten), die bei Grünpflanzen experimentell wesentlich aufwendiger sind. Die Aufklärung der Struktur des Chlorophyll a-Katabolits 10 steht am Anfang einer herausfordernden Aufgabe, deren Ziel nicht nur die Charakterisierung der weiteren Produkte des Chlorophyll-Abbaus, sondern auch die Ergründung der zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen ist. Obwohl zum gegenwärtigen Zeitpunkt der primäre Zweck unserer Arbeiten nicht die Entwicklung eines "Künstlichen Blattes" ist, liegt auf der Hand, dass sie in der näheren Zukunft einen bedeutenden Beitrag zur Pflanzenphysiologie und zu den Umweltwissenschaften leisten können. Prof. Dr. Albert Gossauer Institut für Organische Chemie
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Universitas Friburgensis novembre 92 |
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