Gastkolumne: Durch die Brille der Chemikerin

Das Studium der Chemie habe ich damals begonnen, weil es einerseits eine ideale Mischung aus Theorie und reichlich Praxis ist, andererseits, weil man lernen kann, wie die Welt zusammengesetzt ist und was des Pudels Kern ist. Und in der Tat, mit dem Wissen aus der Chemie betrachtet man die Welt so manches Mal mit anderen Augen.
Zum Beispiel erfreue ich mich im Frühjahr an der frischen grünen Farbe der neuen Blätter. Gleichzeitig denke ich aber dabei auch an Chlorophyll. Das ist eigentlich ein Oberbegriff, der chemische Verbindungen umfasst, die sich relativ ähnlich sind und in verschiedenen Pflanzen, Algen und Cyanobakterien vorkommen. Allen gemein ist ein Ringmolekül, dessen Struktur in etwa einer Frisbee-Scheibe ähnelt, welche in der Mitte ein Loch hat – also ein Frisbee-Ring. In diesem Loch sitzt ein Magnesium-Ion, welches von vier Andockstellen im Frisbee-Ring gehalten wird. Chemisch gesprochen: Das Magnesium-Ion wird in einer Ebene von vier Stickstoffatomen des umgebenden Moleküls (Frisbees) gebunden. Das ist äusserst ungewöhnlich, denn das Magnesium-Ion mag es eigentlich gar nicht, auf diese Weise festgehalten zu werden. Es hätte lieber vier Nachbarn, die eine Pyramide um es herum aufspannen oder sechs Bindungspartner, die räumlich eine Doppelpyramide mit quadratischer Grundfläche bilden. Das Molekül, welches den Frisbee-Ring bildet, ist entweder das sogenannte Chlorin oder Porphyrin – je nach Chlorophyll-Typ.

Am Frisbee hängt dann noch ein chemischer Rest dran, der ebenfalls nach Typ variiert. Dieses Chlorophyll hat die Eigenschaft, rotes und blaues Licht aus dem weissen Licht zu schlucken, grünes Licht hingegen nicht – daher erscheinen uns Blätter also meist grün. Für die Fotosynthese tun sich im Blatt mehrere Chlorophyll-Einheiten so zusammen, dass sie möglichst viel Licht sammeln können – gleichsam Antennen, die möglichst viel Empfang aus allen Richtungen einfangen möchten.

Dabei bildet das Chlorophyll eine Art Energietrichter, die die eingefangene Lichtenergie zu einem speziellen Chlorophyll-Paar leitet. Dort beginnt ein komplexer Staffellauf, bei dem verschiedene negativ und positiv geladene Teilchen jeweils Ladungen weitertransportieren, um letztendlich (unter anderem) zum einen CO2 in Zucker umzuwandeln und zum anderen aus Wasser Sauerstoff freizusetzen. Für Chemiker und Chemikerinnen ist der letztere Prozess spannend, denn man könnte hier nicht nur Sauerstoff, sondern auch Wasserstoff aus Wasser herstellen. In der Forschung versucht man daher, solche biologischen Vorbilder für die Wasserspaltung nachzuahmen und zu nutzen – eine äusserst knifflige Aufgabe, denn Chlorophyll kann durch Temperatureffekte und Lichteinstrahlung kaputtgehen. Pflanzen synthetisieren sie dann einfach neu, in der Chemie müsste man ständig nachliefern.

Übrigens: Stopft man ein Eisen-Ion anstatt dem Magnesium in Porphyrin-Frisbees, so bekommt man die Häme, und die sind wiederum in Hämoglobin vorhanden und erscheinen rot. Häme sind im Blut für den Sauerstofftransport zuständig. Es gibt sie aber auch an anderen Stellen im Körper von Menschen und Tieren (wie auch in Bakterien), wo sie für den Elektronentransport und das Funktionieren von Enzymen zuständig sind. Diesen Typ Molekül nennt man Cytochrome, und diesen gibt es sehr häufig in der Natur.

Fazit: Die Magnesium- und Eisenkomplexe der Porphyrine sind äusserst wichtig für alle Organismen, denn alle hängen schliesslich irgendwie mit der (Zell-)Atmung zusammen.

Und wer noch ein bisschen unterhaltsame Ferienlektüre sucht: «Eine Frage der Chemie» von Bonnie Garmus ist absolut lesenswert! Es geht darin um Frauen im Beruf, Freundschaften aller Art und auch um Chemie – aber nur ein bisschen.

Katharina M. Fromm wohnt in Freiburg und ist seit 2006 Professorin für Chemie an der Universität Freiburg. Sie ist Mitglied einer FN-Autoren-Gruppe, die im Monatsrhythmus frei gewählte Themen bearbeitet.