Hauptseminar WS 2003/04 Biophysik: Einzelmolekülspektroskopie 3 Hauptseminar WS 2003/04 Biophysik: Einzelmolekülspektroskopie 3. Physikalisches Institut Universität Stuttgart Martin Hennemann Photosynthese und Quantenmechanik: Lichtsammelkomplexe in Purpurbakterien

Photosynthese und Quantenmechanik: Lichtsammelkomplexe in Purpurbakterien Purpurbakterien und Photosynthese Eigenschaften von Lichtsammelkomplexen Modellierung einer photosynthetischen Einheit Einzelmolekülspektroskopie an Lichtsammelkomplexen Zusammenfassung

Purpurbakterien Kolonien von Purpurbakterien in Petrischale Lebende Purpurbakterien

AFM-Bilder der äußeren Membran Ringförmige Strukturen: Lichtsammelkomplexe LH-I enthalten normalerweise Reaktionszentrum RC

Photosynthese in Purpurbakterien PSU (photosynthetic unit) = RC (reaction center) + Lichtsammelkomplexe (LHC), diese enthalten die Pigmente Bakteriochlorophyll (BChl) und Karotine PSU: LHC absorbieren Licht und geben Anregungsenergie an RC weiter Im RC findet Ladungstrennung statt Mittels Quinonmolekülen (Q) wird ein H+-Gradient erzeugt Der H+-Gradient treibt die Umwandlung von ADP in ATP an

Spektrum der PSU Karotine absorbieren bei 500 nm BChl B875 BChl B800 BChl B850 Karotine absorbieren bei 500 nm BChl absorbieren hauptsächlich bei 875nm im LH-I, bei 850nm und 800nm im LH-II => Namensgebung: B875 bzw. B850 und B800

Struktur der PSU

Struktur des LH-II Enger Ring aus B850 BChl Karotin B800 BChl Enger Ring aus B850 BChl Lockerer Ring aus B800 BChl verbunden durch Karotine

Anregungstransfer zwischen Molekülen (a) Förster-Mechanismus: Transfer durch WW zwischen induzierten Dipolen Voraussetzungen: Optisch erlaubte Übergänge Reichweite: 20-50 Å; ~ R-6 (b) Dexter-Mechanismus: Transfer durch e--Austausch Voraussetzungen: Überlapp der Wellenfunktionen => Reichweite: wenige Å; ~e-R Anregungen: auch Triplettzustände

Struktur des LH-II Übergangsdipolmoment Karotin Übergangsdipolmomente von B800 und B850b sowie B850a' annähernd parallel => Förster-Mechanismus beim Energietransfer Energietransfer Karotin -> BChl über optisch verbotenen Anregungszustand des Karotins => Dexter-Mechanismus Enger B850-Ring => Kollektive Anregungszustände: Excitonen

Excitonen Excitonen entstehen durch die WW zwischen Molekülen Betrachte zwei Moleküle 1,2 als 2-Niveau-Systeme, die in WW treten: Anregungszustände einzeln: |a› = |1*› |2› und |b› =|1› |2*› zu den entarteten Energieeigenwerten Ealt Hamiltonoperator mit WW der Stärke V: Neue Energieeigenwerte Eneu = Ealt ± 2V Neue Eigenzustände als Linearkombination von |a› und |b›: Excitonische Zustände E* Ealt

Quantenmechanische Beschreibung des B850-Ringsystems Elektronischer Anregungszustand ׀α›: BChl im Grundzustand BChl im Anregungszustand 2N = Anzahl der BChl Orthonormale Basis:

Wechselwirkung Wechselwirkung zwischen einzelnen nicht benachbarten BChl (j und k): Führend ist WW zwischen induzierten Dipolen dj: Einheitsvektoren in Richtung des Übergangsdipolmoments rjk: Verbindungsvektor der Zentren von BChl j und k C: Konstante, enthält Betrag des Dipolmoments und dielektrische Konstante Benachbarte BChl: WW gegeben durch konstante Matrixelemente v1 und v2 (N-fache Symmetrie)

Hamiltonian ε: Anregungsenergie eines einzelnen BChl 2Nx2N-Matrix ε: Anregungsenergie eines einzelnen BChl 4 Parameter enthalten: ε , C , v1, v2

Typisches Spektrum 2 Bänder: breites niederenergetisches Band und schmales höherenergetischeres Band Jedes Band: Nichtentartetes höchstes und niedrigstes Energieniveau Energiewerte werden aus genauerer Rechnung entnommen

Optische Eigenschaften 2N Anregungszustände (Eigenfunktionen): Cn,α: komplexe Koeffizienten Übergangsdipolmomente: Dα: Übergangsdipolmoment des Qy-Übergangs von BChl Oszillatorstärke des jeweiligen Übergangs: ׀fn׀² Oszillatorstärke = Fähigkeit eines Übergangs, Licht zu absorbieren bzw. emittieren

Oszillatorstärken Nur die entarteten Zustände k=±1 tragen Oszillatorstärke Die entsprechenden Übergangsdipolmomente sind betragsgleich, stehen senkrecht aufeinander und liegen in der Komplexebene => Die Zustände k=±1 entsprechen dem Absorptionsmaximum bei 850 nm => Erwartung: keine Polarisationsabhängigkeit der Absorption bei 850 nm

Lichtsammelvorgang Das B850 BChl-Ringsystem geht über in die elektronisch angeregten Zustände k=±1 z.B. durch Photonenabsorption Diese Zustände zerfallen innerhalb kurzer Zeit zum niederenergetischsten Anregungszustand k=0, der die Energie speichert, da der Übergang in den Grundzustand optisch verboten ist = er trägt keine Oszillatorstärke Von diesem Zustand aus erfolgt der Energietransfer

Energiefalle 1ps 3ps 35ps

Prinzip der konfokalen Mikroskopie Durch Lochblende LB wird nur Fluoreszenzlicht aus Probenebene detektiert

Fluoreszenzspektrum Ensemble B800-Band besteht aus einzelnen schmalen Linien: Schwache Kopplung unter den B800, da große Abstände => lokalisierte Anregungen B850-Band: Zwei breite Linien => Aufhebung der Entartung! Polarisationsabhängig!

Diagonale Unordnung Unterschiedliche Umgebung der einzelnen BChl => Verteilung der Energieeigenwerte εα Simulation mit Gaußverteilung der Breite Δ: Umverteilung der Oszillatorstärken Aufspaltung entarteter Anregungszustände Orthogonalität der Übergangsdipolmomente der Zustände k=±1 bleibt erhalten

Elliptische Deformation Kreisförmige Komplexe als Ergebnis der Röntgenkristallographie Elliptische Deformation = Symmetrische Störung δr = (a-b)/2 Orthogonalität der Übergangsdipolmomente der Zustände k=±1 bleibt erhalten Aufspaltung entarteter Zustände größer als durch diag. Unordnung Umverteilung der Oszillatorstärke extremer => Polarisationsabhängigkeit

Experimentelle Befunde an LH-II Spektrum durch elliptische Verformung (δr=7-8%) sowie diagonaler Unordnung (Δ≈250cm-1) erklärbar

Untersuchungen an LH-I LH-I enthält einen Ring aus 32 B875 BChl Der effektive Hamiltonian ist eine 32x32-Matrix

Spektrum Erwartung ohne und mit elliptischer Verformung (Exzentrizität 0,32): Aufspaltung und Polarisationsabhängigkeit

Einfluss der Umgebung Membran: Keine Verformung Seife: Deformation LH-I LH-I hydrophil Fettsäuren: hydrophob

Einfluß des RC Typische Spektren mit RC zeigen keine Polarisationsabhängigkeit Membran Seife => RC stabilisiert ringförmige Anordnung

Zusammenfassung Quantenmechanisches Modell der Lichtsammelkomplexe ergibt wesentliche spektrale Eigenschaften Diese sind abhängig von der Symmetrie der Komplexe Durch Einzelmolekülspektroskopie kann die Symmetrie der Komplexe in verschiedenen Anordnungen und Umgebungen bestimmt werden