Lichterntekomplex II Trimer
Amerikanische und italienische Wissenschaftler untersuchten den Mechanismus der Energieumverteilung durch den Lichtsammelkomplex in einer künstlichen Membran, ähnlich den Prozessen, die in den Zellen grüner Pflanzen ablaufen. Es stellte sich heraus, dass der Prozess auf zwei Wegen verläuft, von denen einer bereits früher vorgeschlagen, aber erstmals experimentell bestätigt wurde. Die Forschungsergebnisse werden in Nature Communications veröffentlicht.
Bei grünen Pflanzen erfolgt die Umwandlung von Sonnenenergie in die Energie der Bildung chemischer Bindungen durch eine komplexe Reaktionskette. Es enthält ein Netzwerk von Antennenproteinen: Lichtsammelkomplexe in der Membran, die Licht absorbieren und zum Reaktionszentrum schicken, wo ein Ladungsunterschied entsteht, der die Photosynthesereaktion auslöst. Das Proteinnetzwerk ist auch in der Lage, sich an wechselnde Lichtverhältnisse anzupassen, um die Bildung schädlicher Produkte photochemischer Reaktionen, wie beispielsweise Radikale, zu verhindern.
Bei zu viel Licht passt sich das System an, um die überschüssige Energie abzuführen und in Wärme umzuwandeln. Dieser Vorgang wird als nicht-photochemisches Quenchen bezeichnet. In jedem Lichtsammelkomplex laufen eine Reihe von photophysikalischen Prozessen entlang der Übertragungswege, der Energieumverteilung und der Bildung schädlicher Moleküle ab. Mit einer Änderung der Konformation von Proteinen (der gegenseitigen Anordnung der Atome eines Moleküls im Raum) ändern sich Umfang und Effizienz dieser drei Prozesse. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass ein ganzes Netzwerk solcher Komplexe an der Photosynthese beteiligt ist, ist es eine schwierige Aufgabe, das Gleichgewicht zwischen der Übertragung von Energie und ihrer Umverteilung sowie deren Mechanismen zu bestimmen.
Antennen verbinden ein Netzwerk von Haupt- (Chlorophyllen) und Hilfspigmenten (Carotinoide) in einer Pflanze, deren elektronische Wechselwirkung für eine schnelle und effiziente Übertragung von Energie sorgt, die zur Initiierung chemischer Reaktionen verwendet und umverteilt wird.
Bei grünen Pflanzen ist die Hauptantenne der sogenannte Lichtsammelkomplex II (CCKII), dessen Photophysik viel untersucht wurde. Es wird angenommen, dass der Komplex bei einer Konformationsänderung in einen Zustand der Energieumverteilung übergeht. Es ist sehr schwierig, solche Konformationsänderungen zu untersuchen, da die gegenseitige Position der Atome von der Umgebung beeinflusst wird, in der sich die Verbindung befindet. Die photophysikalischen Pfade der Energieumwandlung in einzelnen Antennen lassen sich nicht bestimmen und Versuche, das System mit Laserstrahlung zu beeinflussen, führten zum Auftreten von störenden Artefakten.
Minjung Son und Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology untersuchten die photophysikalischen Prozesse von CCKII in einer Membranscheibe (Nanodisc) mit sehr empfindlicher zweidimensionaler ultraschneller Breitbandelektronenspektroskopie. Die Forscher platzierten das gewünschte Protein in einer Scheibe aus einer doppelten Lipidschicht und ahmten damit die Umgebung nach, in der es in der Natur vorkommt, jedoch ohne Verbindung mit dem Proteinnetzwerk.
Schematische Darstellung des Einflusses der Umgebung auf photophysikalische Prozesse im untersuchten Lichtsammelkomplex. Gebogene Pfeile veranschaulichen den Energietransfer zwischen den Energieniveaus von Carotinoiden (rot) und Chlorophyllen (grün). Die Wellenlinien zeigen strahlungslose Übergänge in Carotinoiden. Die Dicke der Pfeile gibt die relative Effizienz des jeweiligen Prozesses an.
Experimente ermöglichten es den Autoren, zwei Arten der Energieverteilung zu charakterisieren. Einer von ihnen, der Energieübergang von Chlorophyllen im Grundzustand zu Carotinoiden im ersten angeregten Zustand im Subpikosekundenbereich, wurde erstmals von Wissenschaftlern experimentell bestätigt. Je nach Umgebung, in der sich der Komplex befand (Membran oder Detergens), dominierten unterschiedliche Prozesse.
Den Autoren zufolge werden die neuen Daten ein besseres Verständnis der Rolle der Energieumverteilungsmechanismen beim Lichtschutz ermöglichen. Die Energieverteilung wird in der Membran verbessert, höchstwahrscheinlich aufgrund einer Zunahme der Population der Niveaus der gelöschten Konformation. Dies wiederum zeugt vom entscheidenden Einfluss der Umwelt auf die Konformation und Dynamik von Prozessen und damit auf die Funktion des Photosyntheseapparats grüner Pflanzen: die Umwandlung oder Umverteilung von Energie.
Vor drei Jahren gelang es italienischen Wissenschaftlern, den Photosyntheseapparat von Purpurbakterien künstlich nachzubauen, der sich in der Bilipidschicht einer künstlichen Protozelle befindet.
Die Umwandlung von Sonnenenergie in die Natur kann nicht nur in Pflanzen und Bakterien erfolgen. Im vergangenen Jahr entdeckten Wissenschaftler das Auftreten elektrischer Ströme in anorganischen Systemen.
