3.Physikalisches Institut - Universität Stuttgart

 
Einzelne Antennenkomplexe von   Purpurbakterien
  INHALT  

  Einführung
  Elektronische Struktur der ringförmigen Aggregate
  Anregungsspektroskopie bei tiefen Temperaturen
  
  
  Anhang: Vom Molekül zum Aggregat

Einführung

Purpurbakterien besitzen eine einfache aber sehr elegant konstruierte Photosyntheseeinheit. Diese nicht-wasserspaltende Einheit beseht aus zwei Untereinheiten (siehe Abbildung links), einem peripheren Antennenkomplex (LH2: light harvesting complex 2) und dem primären Antennenkomplex (LH1) , in dessen Mitte das Reaktionszentrum (RC) untergebracht ist /2/. Die Anzahl dieser beiden Komplexe variiert je nach den Lichtbedingungen, im Mittel gibt es ca. 8-10 LH2 pro LH1, so dass das absorbierte Anregungslicht unter Umständen über einige LH2-Komplexe- zum primären Antennenkomplex transportiert werden muss. Da alle Komplexe in einer Membran untergebracht und damit relativ beweglich sind, erfordert ein effizienter Energieübertrag eine spezielle Konstruktion der einzelnen Antennenkomplexe. Die LH1- und LH2-Komplexe nutzen dabei auf elegante Weise physikalische, d.h. quantenmechanische Prinzipien, um eine Energietransfereffizienz von nahezu 100% zum LH1- und Reaktionszentrum zu erreichen. Dies soll im Folgenden erläutert werden. Die Abbildung rechts zeigt die Struktur von LH2 /4/. Die in grün bzw. orange dargestellten Chlorophylle sind für die Absorption von Licht verantwortlich. Die Proteine (grau) dienen lediglich dazu, die Chlorophyllmoleküle zu fixieren und in ihrer gegenseitigen Anordnung zu halten. Wie im Weiteren gezeigt wird, ist es nämlich die Wechselwirkung der einzelnen Chlorophyllmoleküle untereinander, die die speziellen Eigenschaften des LH2- und LH1-Komplexes hervorrufen. Zunächst zeigt ein Blick auf die Struktur des LH2, dass alle Chlorophylle in Form von zwei Ringen angeordnet sind. Der untere Ring umfasst 9 Chlorophyllmoleküle, während der obere Ring 18 Chlorophyllmoleküle enthält. Die Chlorophyllmoleküle im unteren Ring absorbieren Licht einer Wellenlänge um 800 nm, während im oberen Ring die Absorption bei 850 nm erfolgt. Sobald ein Photon von einem der Chlorophylle im unteren Ring absorbiert wird, findet ein rascher Energietransfer zu den Chlorophyllen im oberen Ring statt. Die Zeitskala, auf der dies geschieht, beträgt etwa 10-11 s. Der gravierende Unterschied zwischen den beiden Ringen liegt nun an der verschiedenen Zahl von Chlorophyllmolekülen pro Ring. Da im oberen Ring doppelt so viele Moleküle untergebracht sind wie im unteren, rücken die einzelnen Chlorophylle näher aneinander. Dadurch treten sie stärker miteinander in Wechselwirkung als dies im unteren Ring der Fall ist. Betrachtet man die photo-physikalischen Eigenschaften des Rings, so muss man diese Wechselwirkung der Moleküle in Betracht ziehen. (siehe Informationskasten „Vom Molekül zum Aggregat“). Die Struktur des LH1-Ringes ist sehr ähnlich der des LH2-Rings. Auch hier werden die Chlorophylle von einem Proteingerüst gebunden. Im Unterschied zu LH2 existiert jedoch nur ein Ring, dessen Chlorophylle stark gekoppelt sind und der aus 32 Molekülen gebildet wird. Die Anordnung dieser 32 Chlorophylle ist vergleichbar der Anordnung des oberen Ringes des LH2-Komplexes.

Elektronische Struktur der ringförmigen Aggregate

Die Abbildung links veranschaulicht, wie sich die Absorptions- und Energieeigenschaften des Rings gegenüber denen der einzelnen Moleküle ändern. Die Absorptionswellenlänge entspricht in dieser vereinfachten Darstellung der Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand und dem niedrigsten angeregten Zustand. Die bereits diskutierte Wechselwirkung der Chlorophyllmoleküle führt dazu, dass man von der Betrachtung der einzelnen Moleküle im Ring zu einer Betrachtung eines ringförmigen „Supermoleküls“ übergehen muss. Entscheidend ist, dass die einzelnen Energieniveaus im oberen und im unteren Teil der Abbildung unterschiedlich sind und damit das Absorptionsspektrum dieses Rings gegenüber den einzelnen Molekülen modifiziert ist. Statt 18 isoenergetischer erster angeregter Zustände spricht man hier von einem Energieband. Für einen Ring mit 18 Molekülen und einer 9-fachen Symmetrieachse senkrecht zur Ringebene ergibt sich genau ein niedrigster angeregter Zustand (k=0), 8 Paare zweifach entarteter angeregter Zustände und ein höchster (k=9) angeregter Zustand. Man findet hier also ein Band von Zuständen, wie es für Molekülaggregate typisch ist, und das bereits den Weg vom isolierten Molekül zum Festkörper vorzeichnet. Entsprechend der geänderten Energieniveaustruktur ändert sich auch das optische bzw. das Absorptionsverhalten des Rings. Um dieses Verhalten modellhaft zu beschreiben, muss man die einzelnen Oszillatorstärken für optische Übergänge von den Energieniveaus im Band erster angeregter Zustände zum Grundzustand berechnen. Nur solche Übergänge sind optisch aktiv und führen damit zur Absorption von Photonen aus dem Strahlungsfeld der Sonne oder eines optischen Spektrometers, dessen elektrisches Übergangsdipolmoment ungleich Null ist. Dieses Übergangsdipolmoment des Gesamtrings verschwindet nur dann nicht, wenn die Beiträge der einzelnen Moleküle phasenrichtig addiert werden und damit zu konstruktiver Interferenz führen. Neben der Exzitonenquantenzahl k spielt hierbei die Orientierung der Moleküle im Ring eine wichtige Rolle. Man findet ganz allgemeine für ringförmige Aggregate, bei denen die Übergangsdipolmomente in der Ringebene liegen, dass nur die beiden Exzitonenzustände k= ±1 ein nicht verschwindendes Übergangsmoment haben. Mit der Annahme einer perfekten Symmetrie des Rings tragen also nur diese beiden Zustände zur optischen Absorption und Emission bei. Nach einer optischen Anregung stellt sich zwischen den Zuständen im Exzitonenband ein thermisches (Blotzmann)-Gleichgewicht ein. Dies bedeutet, dass die relative Bevölkerungszahl zweier Niveaus mit einem Energieabstand ΔE entsprechend berechnet werden kann. Für die drei untersten Zustände im Exzitonenband heißt dies bei einem ΔE von ca. 300 cm-1, dass die beiden fluoreszierenden k±1-Zustände lediglich mit einer Wahrscheinlichkeit von 30% bevölkert werden. Entsprechend unwahrscheinlich ist es, dass nach der Absorption eines Photons dieses sofort wieder emittiert wird. Die ringförmige Struktur des Molekülaggregats führt also dazu, dass der Ring praktisch als „Anregungsenergiespeicher“ funktioniert und damit die Wahrscheinlichkeit einer Übertragung der Anregungsenergie auf einen benachbarten Ring entsprechend zunimmt /5/. Dass die oben dargestellte sehr einfache Berechnung des Exzitonenbandes in der Tat die Verhältnisse sehr gut beschreibt, soll hier kurz anhand des LH1-Rings, für den eine analoge Betrachtung gilt, erläutert werden.

Anregungsspektroskopie bei tiefen Temperaturen

Die Abbildung links zeigt ein Fluoreszenzanregungsspektrum eines einzelnen LH1-Rings. Es lässt sich genau eine Anregungslinie bestimmen, die auch polarisationsabhängig ist - genau wie vom Modell vorhergesagt. Wären die Moleküle im Ring ungekoppelt oder nur schwach gekoppelt, so würde man eine Anzahl von Spektrallinien erwarten, die mit der Anzahl der Moleküle korreliert. Dies ist nur der Fall, wenn der LH1-Ring im Lauf der Präparation teilweise beschädigt wird, wie dies in der Abbildung rechts zu sehen ist /6/. Mittels spektral hoch aufgelöster Messungen an einzelnen Molekülen lassen sich also Details des Energie-transfermechanismus in den Antennenkomplexen aufklären. Zwei wichtige Voraussetzungen für diese Untersuchung sind hier zu erwähnen. Zum einen hat es sich in der jüngsten Vergangenheit herausgestellt, dass die spektral hoch aufgelöste optische Spektroskopie an einzelnen Pigment-Protein-Komplexen besonders leistungsfähig ist, weil hier jede Art von Inhomogenität fehlt, die normalerweise zu breiten, unstrukturierten Spektrallinien führt /7/. Und zum anderen sind Experimente auf diesem Gebiet gerade dann besonders erfolgreich, wenn vor Ort Gruppen tätig sind, die in der Biologie präparativ an den entsprechenden Systemen arbeiten. In Stuttgart ist dies die Abteilung Bioenergetik (Prof. R. Ghosh) , die uns die LH1-Proben zur Verfügung gestellt hat.

Anhang: Vom Molekül zum Aggregat

Alle Funktionseinheiten im Photosyntheseapparat, die für das Einsammeln von Licht und den Transport von Anregungsenergie verantwortlich sind, nutzen die kontrollierte Wechselwirkung von Molekülen in Molekülaggregaten aus. Das einfachste Molekülaggregat ist eines aus identischen Molekülen. Die Abbildung im Abschnitt "Elektronische Struktur..." zeigt eine Situation, in der das Molekül α angeregt ist (die Kugel ist bei E = E0). Dieser Zustand ist durch nichts von einem Zustand zu unterscheiden, bei dem das Molekül 1,2 oder sonst eines der 18 anderen Moleküle angeregt ist. Die Eigenzustände des Aggregats entsprechen daher Linearkombinationen dieser Zustände. Das System wird mit einem Hamiltonoperator der Form

beschrieben. Wnm bezeichnet die Wechselwirkung zwischen nächsten Nachbarn. Die Eigenzustände lauten
,
wobei k = 0,... N-1. Wie die Bloch-Zustände in der Festkörperphysik werden diese neuen Zustände mit einer Quantenzahl k beschrieben. Die Energien der k-Zustände lassen sich durch

berechnen.