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Nanomaschine spaltet Wasser
Was passiert eigentlich, wenn Sonnenlicht auf eine
Pflanze trifft? Wie laufen die Vorgänge der Umwandlung der
Lichtenergie auf molekularer Ebene ab und was können wir daraus
lernen, um die hohe Effizienz dieser natürlichen Vorgänge
gewinnbringend zu kopieren? Dieser Frage widmen sich die Forscher um
Prof. Rögner in enger Kooperation mit Prof. Holzwarth, dessen
Arbeitsgruppe eine von sehr wenigen ist, die solche Prozesse zeitlich
auflösen kann. Die Messungen erfordern neben hochsensitiven
Apparaturen große Mengen extrem reinen Proteins, in diesem Fall des
Photosystems 2 (PS2). PS2 führt den zentralen Prozess der
Photosynthese durch, die lichtinduzierte Wasserspaltung. Die Bochumer
Forscher isolierten das Protein aus Cyanobakterien, den einfachsten
"Modellpflanzen" (s. Abb. 1). "Obwohl die dreidimensionale Struktur
von PS2, gewissermaßen sein 'Bauplan', seit Jahren bekannt ist, blieb
die Funktion dieser 'Nanomaschine' im molekularen Bereich, die
hauptsächlich über spektroskopische Untersuchungen aufgelöst werden
kann, umstritten", erklärt Prof. Rögner. Die jetzt erschienene
Publikation des Bochumer und Mülheimer Forscherverbundes könnte einen
wesentlichen Beitrag zum Verständnis dieser Prozesse liefern und sie
im wahrsten Sinne des Wortes in einem neuen Licht erscheinen lassen.
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Der Prozess der
Photosynthese findet in den inneren Membranen eines
Cyanobakteriums (l. oben) analog zum Prozess in allen grünen
Pflanzen statt. Aus diesen Membranen (Mitte) wird das Photosystem
2, welches im Licht Wasser spalten kann, isoliert und
charakterisiert (r. unten: 3-D-Struktur des Proteins). |
Ein Chlorophyll, das niemand auf der Rechnung
hatte
Im Wesentlichen haben die Forscher zwei zentrale
Erkenntnisse gewonnen, die den bisherigen Wissensstand fundamental
korrigieren: Der erste Reaktionsschritt im Zentrum von PS2 wird von
einem einzelnen Chlorophyll (ChlD1 in Abb. 2) durchgeführt, welches
nach bisheriger Überzeugung nicht dafür eingeplant war. "Obwohl es
sehr nahe am bisher für das eigentliche Reaktionszentrum gehaltenen
Chlorophyll-Paar - das analoge Pigmentpaar in den Reaktionszentren von
photosynthetischen Bakterien wird als "spezielles Paar" bezeichnet -
liegt, hatte es niemand 'auf seiner Rechnung'", blickt Rögner zurück.
Mit der aktuellen Arbeit konnten die Forscher erstmals den
experimentellen Beweis dafür unter physiologischen
Raumtemperaturbedingungen erbringen (s. Abb. 2). "Folglich muss das
Lehrbuchwissen der Photosynthese in dieser Hinsicht korrigiert werden,
zumal es sich um ein Prinzip zu handeln scheint, welches die Natur
offensichtlich auch im anderen Photosystem, dem Photosystem 1, und
darüber hinaus auch bei allen höheren Pflanzen angewandt hat", erklärt
der Biologe.
Hohe Oxidationskraft verstehen
Die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Protonen
- d.h. die zentrale Funktion für die Speicherung von Solarenergie in
der Photosynthese - erfordert die höchste Oxidationskraft, die
biologischen Systemen bekannt ist. Die neuen Erkenntnisse der
Mülheimer und Bochumer Forscher liefern nun die molekulare Erklärung
für die bisher nicht gut verstandene extrem hohe Oxidationskraft von
Photosystem 2. Ein monomeres Chlorophyll kann prinzipiell eine
wesentlich höhere Oxidationskraft entwickeln als das bisher
angenommene "Spezialpaar Chlorophyll".
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Im Inneren von
Photosystem 2: Nach Auftreffen eines Lichtquants konnten drei
Elektronentransferschritte im unteren Picosekundenbereich
unterschieden werden. Noch schneller vollzieht sich die
Übertragung der Anregungsenergie von den Chlorophyllantennen im
peripheren Bereich (CP43 und CP47) zum Reaktionszentrum ("Trap"). |
Weiterleitung ist schneller als Gradientenaufbau
Die zweite zentrale Erkenntnis betrifft den Prozess
der Weiterleitung der Lichtanregung: Sie verläuft wesentlich rascher
als der Prozess der ersten "chemischen" Reaktion, d.h. der Aufbau
eines elektrischen Gradienten über der Membran. Jedes PS2 besitzt eine
große Antenne aus vielen Chlorophyllen, welche die Lichtenergie sehr
effektiv einfangen und praktisch verlustfrei zu den relativ wenigen
Reaktionszentrenchlorophyllen ("Trap") weiterleiten. Für die effektive
Ausnutzung der Lichtenergie ist die Beantwortung der Frage wichtig,
welcher der beiden Prozesse - Weiterleitung der Lichtanregung oder
Aufbau des elektrischen Gradienten - der limitierende ist. Die
durchgeführten Untersuchungen zeigen eindeutig, dass die
Energieübertragung von den Antennen zum Zentrum der schnellere und
damit nicht der limitierende Schritt ist.
Neues Bild der Photosynthese
Zusammengenommen ergibt sich durch diese
Erkenntnisse ein neues Bild der primären Vorgänge der Photosynthese.
Es wird sicher auch Auswirkungen auf sog. biomimetische Verfahren
haben, mit welchen die natürlichen Prozesse künstlich "nachgebaut"
werden sollen, um die Solarenergie als unerschöpfliche Energiequelle
durch Nachahmung der Natur wesentlich effektiver nutzen zu können als
es heute mit Sonnenkollektoren möglich ist. |
