Vereinte Spektroskopie und Quantentheorie am Photosystem II

In der Photosynthese höherer Pflanzen und von Cyanobakterien werden Kohlendioxid und Wasser mithilfe der Energie des Sonnenlichtes umgewandelt in Zucker, einen wichtigen Baustein des Lebens. Zu diesem Zweck arbeiten zwei Photosysteme (I und II) in Serie. Obwohl der allgemeine Reaktionszyklus der Photosynthese bekannt ist und in Lehrbüchern der Biochemie nachgelesen werden kann, sind viele molekulare Details der zu Grunde liegenden photophysikalischen und chemischen Reaktionen noch unverstanden. In diesem Projekt untersuchen wir zusammen mit unserem experimentellen Kooperationspartner Petar Lambrev aus Szeged (Ungarn) das Photosystem II, das aus einem photosynthetischen Reaktionszentrum besteht, in dem die Photochemie beginnt, und aus Kern- und peripheren Lichtsammelkomplexen, die das Sonnenlicht absorbieren und die Anregungsenergie zum Reaktionszentrum transferrieren, um Elektrontransferreaktionen anzutreiben. Durch letztere wird Wasser gespalten in Sauerstoff, den wir alle atmen, Protonen, die von der ATPase benutzt werden, um die biologische Währung ATP zu generieren, und Elektronen, die zum Photosystem I transportiert werden, um das Reduktionsmittel NADPH zu erzeugen, das in den nächsten Schritten der Zuckersynthese benötigt wird. Der Energietransfer zum Reaktionszentrum geschieht mit hoher Quanteneffizienz (> 90 %) unter geringem Lichteinfall. Bei großen Lichtintensitäten können die Lichtsammelkomplexe in einen Schutzmodus umschalten, in dem die Anregungsenergie gelöscht wird, um das Reationszentrum vor zu viel Energie zu schützen, welche zu photochemischen Schäden führen würde. In diesem Projekt werden Multi-Skalenmethoden eingesetzt, um den Anregungsenergie- und primären Ladungstranfer im Photosystem II und die optischen Experimente, die diese Reaktionen unter Schwach- und Starklichtbedingungen testen, zu beschreiben. Zu diesem Zweck werden zunächst existierende Hamiltonoperatoren von Untereinheiten des Photosystem II aus der Literatur (einschliesslich unserer eigenen Arbeiten) getestet durch Vergleich mit neuen und unabhängigen spektroskopischen Daten. Unser Kooperationspartner hat kürzlich eine neue vielversprechende Technik, den Anisotropen Zirkulardichroismus (ACD), eingeführt, in dem der Zirkulardichroismus an Proben mit orientierten Komplexen gemessen wird. Wir haben eine Exzitonentheorie zur Beschreibung dieser Experimente entwickelt, mit der wir die ACD Spektren des Photosystem II und seiner Untereinheiten beschreiben werden. Wir erwarten wertvolle Einblicke in die elektronische Struktur des angeregten Zustände, die es uns erlauben werden, existierende Frenkel Exzitonen/Ladungstransfer- Hamiltonoperatoren zu verfeinern, um damit den Anregunsgenergie- und primären Ladungstranfer im Photosystem II zu beschreiben.