Hillmann, Frank: Untersuchungen zur Relaxation von Anregungszuständen im Lichtsammelkomplex des Photosystems II höherer Pflanzen sowie im Halbleiter Cadmiumsulfid mittels Vierwellenmischung

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Kapitel 6. Schlußfolgerungen für die Funktionalität des LHC II

Ein Ziel der aktuellen Photosynthese-Forschung ist die Aufklärung von Struktur-Funktions-Beziehungen, d.h. zu verstehen, wie sich die biologischen Funktionen aus der räumlichen Struktur der makromolekularen Komplexe verstehen lassen. Da sich die physiologische Funktionalität in den spektroskopischen Eigenschaften widerspiegelt, die wiederum durch die Struktur bedingt sind, bieten optische Methoden eine Möglichkeit, diese Zusammenhänge zu untersuchen. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse der Zweipuls-Photonenecho- und Pump-Test-Experimente an solubilisierten Trimeren des LHC II liefern einen tieferen Einblick in die Dynamik der Phasen- und Energierelaxation von Anregungszuständen und tragen somit zu einem besseren Verständnis der Wechselbeziehungen von Struktur und Funktion bei.

Der LHC II steht als Träger von zirka 50% des gesamten Chl der Thylakoidmembran [49] am Anfang einer Reihe photosynthetischer Untereinheiten, in denen die primären Prozesse der Photosynthese ablaufen. Seine Hauptaufgabe besteht in der Verbesserung der Effizienz der pflanzlichen Energiegewinnung durch die zusätzliche Versorgung der Reaktionszentren mit Anregungsenergie solaren Ursprungs. Mit der Erfüllung dieser Aufgabe sind drei fundamentale physikalische Prozesse verbunden: 1.) die Absorption der Sonnenenergie durch spezielle Pigmente, 2.) der räumliche Transport der Anregungsenergie vom absorbierenden Pigment zum Ort der Ladungstrennung im Reaktionszentrum und 3.) die Energierelaxation vom ursprünglich angeregten Zustand bis auf das energetische Niveau des primären Elektrondonators im Reaktionszentrum.

Die Relaxation der Anregungszustände im LHC II ist eng mit dem räumlichen Energietransfer verknüpft. Durch die paarweise Anordnung von Chl a und Chl b Molekülen mit einem Abstand der zentralen Magnesiumatome von lediglich ap1 nm ergibt sich eine enge Kopplung von nichtresonanten Energieniveausystemen, wodurch ein gerichteter Transfer der Anregungsenergie vom höheren zum niederen Niveau erzwungen wird. In diesem Sinne ist die Energierelaxation im LHC II stets mit einem räumlichen Transfer verbunden. Daher vereint man häufig beide Prozesse in dem Begriff Anregungsenergietransfer (excitation energy transfer, EET). Vor allem durch Wechselwirkung mit den Proteinen werden die Energiezustände der einzelnen Chl-Moleküle gegeneinander verschoben [69] , so daß nicht nur zwei verschiedene Energieniveausysteme von Chl a bzw. Chl b existieren, sondern vielmehr ein ganzes Ensemble wechselwirkender Pigmente.


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Die Interpretation des nicht-exponentiellen Abklingens des Photonenechos als Überlagerung mehrerer unabhängiger Phasenrelaxationsprozesse ist eine Konsequenz der sich daraus ergebenden Vielfalt an zwischenmolekularen Wechselbeziehungen. In Abhängigkeit von der Kopplungsstärke, die wesentlich vom räumlichen Abstand und der Orientierung der Übergangsdipolmomente beeinflußt wird [70] , ist der Anregungszustand über die am Energietransfer beteiligten Moleküle delokalisiert (starke Kopplung) oder er bewegt sich in einer Form, die eher einem „Hüpfen“ entspricht und als Förster-Transfer bezeichnet wird (schwache Kopplung) [16] . Beim Anregungsenergietransfer im LHC II spielen offenbar beide Mechanismen eine Rolle [52] . Quantenmechanische Rechnungen zeigen, daß insbesondere die enge Kopplung der Chl a/Chl b Paare Anlaß zu starken exzitonischen Effekten wie eine Delokalisierung des Anregungszustandes und eine Umverteilung der Oszillatorstärke gibt [69] . Der Förster-Mechanismus eignet sich hingegen zur Beschreibung des Transfers zwischen weiter entfernten Pigmenten innerhalb des LHC II sowie zwischen den verschiedenen photosynthetischen Untereinheiten bis hin zum Reaktionszentrum [61] .

Der Ausgangspunkt der photosynthetischen Reaktionskette ist die Absorption von Sonnenlicht. Abhängig von der Energie des absorbierten Photons erfolgt dieser Prozeß bevorzugt bei den Pigmenten mit den jeweils größten Absorptionsquerschnitten, wobei sich die Absorptionsbanden mehrerer Pigmente überlappen. Damit treten auch verschiedene Relaxationsprozesse auf, was zu charakteristischen spektralen Eigenschaften der die Relaxation beschreibenden physikalischen Größen führt. Bei der primären Anregung von Chl b im Bereich von 645 bis 660 nm ergibt die Auswertung des Zweipuls-Photonenechos unter Berücksichtigung eines Kohärenz-Artefakts zwei Abklingkomponenten. Sowohl die eigenen, mittels einfarbiger Pump-Test-Messungen gewonnenen Daten der transienten Absorption als auch Ergebnisse aus der Literatur [20] [35] [89] weisen ebenfalls auf mindestens zwei verschiedene Relaxationsprozesse hin, von denen der erste, dominierende im sub-ps-Bereich abläuft und der zweite eine Kinetik von wenigen ps aufweist. Die Konformität der Resultate von kohärenten und inkohärenten Meßmethoden ist ein klarer Nachweis dafür, daß bei 5 K die totale Phasenrelaxation in diesem Bereich durch die longitudinale Relaxationszeit T1 bestimmt wird. Der vorherrschende Prozeß ist der schnelle, auf einer sub-ps Zeitskala ablaufende Energietransfer zwischen den Partnern der Chl a/Chl b Paare. Lediglich eines der vermutlich fünf Chl b pro Monomer transferiert seine Energie in Zeiten > 2 ps.


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Im Bereich der Chl a-Absorption von 660 bis 675 nm wird das Relaxationsverhalten im wesentlichen durch die Energieequilibrierung innerhalb des Chl a Ensembles bestimmt. Bis 670 nm wird die Phasenrelaxation durch die sub-ps-Komponente dominiert. Auch hier korrespondieren die Ergebnisse von Photonenechoexperimenten und transienter Absorption hinsichtlich der sub-ps Zeiten. Demnach kann man davon ausgehen, daß die kurze transversale Relaxationszeit in diesem Bereich ebenfalls durch die T1-Zeit bestimmt wird. Abweichungen bei der ps-Komponente könnten auf Wechselwirkung zwischen eng benachbarten Chl a zurückzuführen sein. Ab 675 nm geht der Einfluß der sub-ps-Komponente deutlich zurück. In dem anschließenden Gebiet bis 680 nm bestimmen offensichtlich zunehmend Multiexzitonenprozesse die Phasenrelaxation. Diese Exziton-Exziton-Wechselwirkungen sind eine Konsequenz der starken Anregung durch intensive fs-Laserimpulse und haben keine physiologische Relevanz. Die Intensität des Sonnenlichts auf der Erde ist verglichen mit der Laserstrahlung etwa um den Faktor 1011 geringer, so daß unter natürlichen Bedingungen Mehrfachanregungen und Annihilationsprozesse keine Rolle spielen. Daher ist auch das resonante Dreiniveausystem, welches bei stark angeregten Pump-Test-Messungen die ersten Stadien der transienten Absorption bei 640 nm beeinflußt, biologisch irrelevant.

Erfolgt die Anregung oberhalb 680 nm, so verlieren schnelle Energietransferprozesse zunehmend an Einfluß. Die Phasenrelaxationszeit nimmt deutlich zu und erreicht Werte von über 100 ps. Die Temperaturabhängigkeit der langen Phasenrelaxationszeit ist durch zwei Bereiche charakterisiert. Oberhalb 20K beobachtet man einen linearen, relativ flachen Anstieg der Phasenrelaxationsrate (T2)-1. Das beobachtete Verhalten ist vermutlich durch den Energietransfer in energetisch höhere Zustände bedingt. Dieser Prozeß entspricht einer Absorption von Phononen, deren mittlere Anzahl im Grenzfall kT»hny linear mit der Temperatur zunimmt. Unterhalb der kritischen Temperatur von 20K reicht die thermische Energie nicht mehr aus, um einen Aufwärtstransfer zu initialisieren. Daher erfolgt in diesem Temperaturbereich ein steiler Abfall der Phasenrelaxationsrate, dominiert durch die reine Phasenzerstörung. Auch wenn die vorliegenden Photonenecho-Daten nicht ausreichen, um die erwartete T1.3-Abhängigkeit [93] zu verifizieren, so befinden sich die Ergebnisse doch im Einklang mit dieser Gesetzmäßigkeit.

Die durch Photonenecho bestimmten T2-Zeiten decken sich im Prinzip mit den Werten, die durch Hole-Burning-Experimente ermittelt wurden [64] . Beim Vergleich der Ergebnisse beider Methoden ist jedoch die unterschiedliche spektrale Breite der Anregung zu


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beachten, die zu einer leichten Verschiebung der Wellenlängenskale von ap1 nm führt. Verantwortlich für die langen Relaxationszeiten bei Anregungswellenlängen oberhalb 680 nm sind die tiefsten, exzitonisch schwach gekoppelten Zustände ausgezeichneter Chl a Moleküle. Deren Kopplung an die Proteinschwingungen ist bei einem Huang-Rhys-Faktor von zirka 0.8 ebenfalls verhältnismäßig schwach, so daß die Phasenbeziehung relativ lange erhalten bleibt. Die Anregungsenergie dieser Pigmente ist optimal angepaßt an das energetische Niveau des primären Elektrondonators P680 im Reaktionszentrum, so daß man vermuten kann, daß sie eine besondere Rolle bei der Kopplung von Antennenkomplex und Reaktionszentrum sowie von Antennenkomplexen untereinander spielen. Dafür spricht auch, daß sich nach der Thermalisierung der Anregungszustände gerade bei 680 nm die größte Exzitonenkonzentration einstellt [44] , unabhängig von der Anregungswellenlänge.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die beobachteten Energie- und Phasenrelaxationsprozesse die biologische Funktion des Antennenkomplexes widerspiegelt, wobei darauf hinzuweisen ist, daß die beobachteten Multiexzitoneneffekte unter physiologischen Bedingungen keine Rolle spielen. Die Phasenrelaxation wird in wesentlichen Teilen des untersuchten Spektralbereiches durch den schnellen Energietransfer bestimmt, der sich an den primären Absorptionsprozeß anschließt. Für die wesentlichen Funktionen des LHC II wie Absorption, räumlicher Energietransport und Energierelaxation hat die Erhaltung der Phasenbeziehung keine Bedeutung. Es kommt allein darauf an, dem Reaktionszentrum möglichst viel Anregungsenergie am richtigen Ort und mit dem richtigen Betrag zur Verfügung zu stellen. Der Photosyntheseapparat ist dahingehend optimiert, möglichst viele Photonen zu verarbeiten und nicht, den Energiegehalt jedes absorbierten Photons maximal auszunutzen.

Der Energietransfer vom LHC II zum Reaktionszentrum erfolgt offenbar auf einem relativ gleichbleibenden Energieniveau von zirka 1.82 eV (ap 680 nm). An diesem Transferprozeß sind zwangsläufig auch weitere Pigment-Protein-Komplexe beteiligt, z.B. die sogenannten Rumpfantennen (core antenna) CP47 und CP43 [6] [98] , die das Reaktionszentrum umgeben. Sie weisen mehrere Energiezustände im Bereich von 660 bis 690 nm auf [18] , wobei sich die tiefsten bei 690 nm (CP47, [25] ) bzw. 683 nm (CP43, [40] ) befinden. Da die untersuchten LHC II-Proben lediglich solubilisierte trimere Antennenkomplexe ohne angekoppelte Rumpfantennen und Reaktionszentren enthielten, können die experimentellen Ergebnisse diesen Teil der Funktionalität des LHC II nicht widerspiegeln. Durch die Isolation der Antennenkomplexe ist der natürliche Energiefluß zum


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Reaktionszentrum unterbrochen. Anstelle weiterer Transferprozesse erfolgt eine strahlende und nichtstrahlende Relaxation der thermalisierten Anregungszustände [88] . Die beobachtete lange Phasenrelaxationszeit bei Wellenlängen um 680 nm zeugt jedoch in Übereinstimmung mit Hole-Burning-Resultaten von der schwachen Kopplung der tiefsten exzitonischen Zustände des LHC II an ihre Umgebung. Damit können diese Anregungszustände eine relativ lange Zeit ohne Dissipation überdauern. Sie bilden offenbar zusammen mit Chl a Molekülen der anderen, das Reaktionszentrum umgebenden photosynthetischen Untereinheiten eine Matrix von Pigmentmolekülen, die dem Anregungsenergietransfer zum primären Elektrondonator dient. Untersuchungen dieses Transferprozesses ergaben, daß das „Einfangen“ der Anregungsenergie durch das Reaktionszentrum bereits innerhalb einiger zehn bis einiger hundert ps erfolgt [26] , also in Zeiten, die klein gegen die Lebensdauer der tiefsten Zustände im isolierten LHC II (ap 4 ns) sind [88] .

Da der primäre Elektrondonator P680 eine sehr flache Potentialmulde darstellt [67] , besteht auch für den Rücktransfer eine nicht zu vernachlässigende Wahrscheinlichkeit. Somit besteht prinzipiell die Möglichkeit, das Reaktionszentrum mehrfach aufzusuchen, falls es sich gerade in einem Verarbeitungsprozeß befindet und daher für eine weitere Energieaufnahme geschlossen ist. Dieser Prozeß erhöht den Wirkungsgrad der Photosynthese und ist nur ein Beispiel dafür, wie die Natur im Verlauf der Evolution komplexe Mechanismen entwickelt hat, die in ihrer Effizienz weit über das heute technisch Machbare hinausgehen. Somit liefern biologische Objekte auch in Zukunft ein breites Feld für die Erforschung und die Entwicklung neuer Technologien. Die heutige Wissenschaft steht oftmals erst am Anfang der Aufklärung derartiger Phänomene.


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Thu Aug 29 10:33:32 2002