Theorie des photosynthetischen Energie- und Ladungstransfers
Theory of Photosynthetic Energy and Charge Transfer
Wissenschaftsdisziplinen
Biologie (20%); Chemie (40%); Physik, Astronomie (40%)
Keywords
-
Energy Transfer,
Electron Transfer,
Photosynthesis,
Density Matrix Theory,
Electrostatics,
Optical Spectra
In der Photosynthese wird aus Sonnenlicht, Kohlendioxid und Wasser Zucker gewonnen, der die Grundlage des Aufbaus pflanzlicher Materie darstellt. Um diese lichtgetriebene Reaktion zu bewerkstelligen, hat die Natur eine komplizierte Maschinerie entwickelt, deren Wirkungsweise noch nicht in allen molekularen Details verstanden ist. In diesem Projekt geht es um die Entschlüsselung der Struktur-Funktionsbeziehungen des primären Energie- und Ladungstransfers der Photosynthese. Das Sonnenlicht wird in sogenannten Lichtsammelantennen eingefangen und zum photosynthetischen Reaktionszentrum transferiert, wo mit der Lichtenergie Elektronentransferreaktionen in Gang gesetzt werden. Dabei wird im Photosystem II Wasser in Sauerstoff, Elektronen und Protonen gespalten. Der Sauerstoff entweicht, die Elektronen werden zum Photosystem I transferriert und dort in einer energiereichen chemischen Verbindung (NADPH) gespeichert. Die Protonen treiben einen molekularen Motor, die ATP-ase an, der hochenergetische ATP-Moleküle synthetisiert, deren Energie später bei der Kohlenhydratsynthese gebraucht wird. Der Lichteinfang geschieht mit einer Quanteneffizienz von nahezu 100 Prozent, d.h. von 100 absorbierten Lichtteilchen (Photonen), erreichen im Mittel mehr als 95 das photosynthetische Reaktionszentrum und lösen dort eine Kette von Elektronentransferreaktionen aus, die zu einem stabilen ladungsgetrennten Zustand führt, auf dem die chemischen Reaktionen zur Speicherung der Lichtenergie aufbauen. Die Ursache für die hohe Quanteneffizienz der primären Energie- und Ladungstransferreaktionen liegt in der Pigment-Protein Wechselwirkung. Die optisch aktiven Pigmente (Chlorophylle und Karotenoide) werden durch das Proteingerüst in optimalem Abstand und Orientierung für den Energie- und Ladungstransfer gehalten. Darüberhinaus steuert die Proteinumgebung die Energien der Pigmente durch elektrostatische Wechselwirkungen, so dass ein räumlich gerichteter Transfer möglich wird. In unserem Projekt wollen wir diese Steuerungsmechanismen auf der Basis der atomaren Struktur der Pigment-Proteinkomplexe entschlüsseln. Wir haben dazu bereits in einem Vorgängerprojekt eine Multiskalenmethodik entwickelt, mit der der Energietransfer in kleineren Untereinheiten des Photosyntheseapparates erfolgreich beschrieben werden konnte. Hier geht es nun darum, das Zusammenspiel von Energie- und Ladungstransfer in größeren Teilen der Photosysteme zu beschreiben. Dazu ist zum einen eine Einbeziehung der Ladungstransferzustände in unsere Methodik nötig und zum anderen müssen numerisch effiziente Berechnungsmethoden geschaffen werden, die es erlauben, optische Experimente an großen Systemen, bestehend aus einigen hundert Pigmenten, zu beschreiben. Auf dieser Basis wollen wir die zugrunde liegenden molekularen Bauprinzipien verstehen und Erkenntnisse sammeln, die bei der Konstruktion von künstlichen Systemen zur Solarenergieumwandlung wie etwas organischen Solarzellen hilfreich sein werden.
- Universität Linz - 100%
- Nicholas Cox, Australian National University - Australien
- Jasper J. Van Thor, Imperial College London - Großbritannien
- Jessica M. Anna, University of Pennsylvania - Vereinigte Staaten von Amerika
Research Output
- 84 Zitationen
- 11 Publikationen
-
2020
Titel Static Disorder in Excitation Energies of the Fenna–Matthews–Olson Protein: Structure-Based Theory Meets Experiment DOI 10.1021/acs.jpclett.0c03123 Typ Journal Article Autor Chaillet M Journal The Journal of Physical Chemistry Letters Seiten 10306-10314 Link Publikation -
2020
Titel Normal mode analysis of spectral density of FMO trimers: Intra- and intermonomer energy transfer DOI 10.1063/5.0027994 Typ Journal Article Autor Klinger A Journal The Journal of Chemical Physics Seiten 215103 Link Publikation -
2021
Titel Reply to: Is the debate over grana stacking formation finally solved? DOI 10.1038/s41477-021-00881-6 Typ Journal Article Autor Müh F Journal Nature Plants Seiten 279-281 Link Publikation -
2021
Titel Semiclassical Modified Redfield and Generalized Förster Theories of Exciton Relaxation/Transfer in Light-Harvesting Complexes: The Quest for the Principle of Detailed Balance DOI 10.1021/acs.jpcb.1c01479 Typ Journal Article Autor Renger T Journal The Journal of Physical Chemistry B Seiten 6406-6416 Link Publikation -
2022
Titel Towards a quantitative description of excitonic couplings in photosynthetic pigment–protein complexes: quantum chemistry driven multiscale approaches DOI 10.1039/d1cp03566e Typ Journal Article Autor Friedl C Journal Physical Chemistry Chemical Physics Seiten 5014-5038 Link Publikation -
2022
Titel Exact simulation of pigment-protein complexes unveils vibronic renormalization of electronic parameters in ultrafast spectroscopy DOI 10.1038/s41467-022-30565-4 Typ Journal Article Autor Caycedo-Soler F Journal Nature Communications Seiten 2912 Link Publikation -
2022
Titel Signatures of intramolecular vibrational and vibronic Qx–Qy coupling effects in absorption and CD spectra of chlorophyll dimers DOI 10.1007/s11120-022-00946-3 Typ Journal Article Autor Seibt J Journal Photosynthesis Research Seiten 19-37 Link Publikation -
2022
Titel Role of Environmental Dynamic Polarizability in Static Excited State Properties of Embedded Molecular Systems: Application to Disordered Fluorographene Systems DOI 10.1021/acs.jpcc.2c06779 Typ Journal Article Autor Sla´Ma V Journal The Journal of Physical Chemistry C Seiten 381-392 -
2023
Titel Living on the edge: light-harvesting efficiency and photoprotection in the core of green sulfur bacteria DOI 10.1039/d3cp01321a Typ Journal Article Autor Klinger A Journal Physical Chemistry Chemical Physics Seiten 18698-18710 Link Publikation -
2023
Titel Time-resolved circular dichroism of excitonic systems: theory and experiment on an exemplary squaraine polymer DOI 10.1039/d3sc01674a Typ Journal Article Autor Ress L Journal Chemical Science Seiten 9328-9349 Link Publikation -
2023
Titel Short-Range Effects in the Special Pair of Photosystem II Reaction Centers: The Nonconservative Nature of Circular Dichroism DOI 10.1021/acs.jpclett.3c02693 Typ Journal Article Autor Gemeinhardt F Journal The Journal of Physical Chemistry Letters Seiten 11758-11767 Link Publikation