Lichtreaktionen. und Methoden zu ihrer Untersuchung (I)

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Nadja Lang
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1 Biophysik der photosynthetischen Lichtreaktionen und Methoden zu ihrer Untersuchung (I)

3 Schema der photosynthetischen Lichtreaktionen

4 Beispiele wichtiger Lichtsammelkomplexe Name des Komplexes Vorkommen Pigmente Absorptions-Maxima PSII innere Höhere Pflanzen, Chlorophyll a ca. 680 nm Antennenkomplexe Grünalgen, Braunalgen, Rotalgen, Cyanobakterien,... Carotinoide LHC I Höhere Pflanzen, Grünalgen, Chlorophyll a, Chlorophyll b, Carotinoide ca. 680 nm LHC II Höhere Pflanzen, Grünalgen Chlorophyll a Chlorophyll b Carotinoide ca. 670 nm Chl a/c-lhc Braunalgen, Diatomeen Chlorophyll a Chlorophyll c Carotinoide ca. 670 nm Phycobiliproteine Rotalgen, Cyanobakterien Phycobiline: fest (kovalent) gebunden! sehr variabel, ca. 450 nm (Phycourobiline) bis ca. 670 nm (Allophycocyanine) LH II Purpurbakterien Bakteriochlorophyll a, ca. 850 nm Bakteriochlorophyll b, Carotioide

5 Photosynthetische Pigmente: Gemeinsame Charakteristika (I) ß-Carotin Chlorophyll a

6 Photosynthetische Pigmente: Gemeinsame Charakteristika (I) Lehrbuch (Lawlor, 1990) korrekt falsche delokalisierung vierbindiger ungeladener Stickstoff fünfbindiger Kohlenstoff

7 Photosynthetische Pigmente: Gemeinsame Charakteristika (II)

8 Photosynthetische Pigmente: Gemeinsame Charakteristika (II) S2 intersystem t crossing S1 h ν h ν intersystem T1 crossing photochemistry absorption phosphorescence intersystem crossing absorption intersystem crossing fluorescence S0 Chlorophyll

9 Voraussetzung der Energieübertragung: Überlappende Emissions-/Absorptionsbanden Mg-Chl a Absorption in Aceton Mg-Chl a Fluoreszenz in Aceton Absorption Wellenlänge / nm

10 Abstimmung der Absorptionsbanden

11 Abstimmung der Absorptionsbanden (II)

12 Energieübertragung: Trichter-Prinzip (I)

13 Energieübertragung - Trichter-Prinzip (II): Schema und Absorptionsspektren in Cyanobakterien (Beispiel Trichodesmium) Transmission von Filtern für selektive Anregung Car PUB = Phycourobilin PE = Phycoerythrin PC = Phycocyanin APC = Allo- Phycocyanin Chl RC (Chl)

14 Energieübertragung (I) Kurze Entfernung, erfordert Überlapp der Molekülorbitale (--> nur evtl. eng benachbarte Pigmentmoleküle im selben Protein): direkter Transfer von Anregungszuständen (Dexter- Mechanismus) D * A Göß Größere Entfernung, erfordert tüberlapp der Absorptions-/Emissionspektren): i i Transfer per induktiver Resonanz ( Förster-Mechanismus) D * A

15 Energieübertragung (II) Aus: Barber J, 2003, QuartRevBiophys36, Mechanismus der Ladungstrennung 1. Special pair -Chlorophylle (=P680) übernehmen Excitonen (=angeregte Zustände) von der Antenne 2. P680 überträgt ein Elektron auf Chl D1 ( initial charge separation ) 3. Binnen weniger ps wird das e - auf Phe ( P680 + / Phe - ) übertragen ( primary charge separation )

16 Geschwindigkeit der Energieübertragung im PSII-Reaktionszentrum

17 Regulation der Energieübertragung (I): state transitions Höhere Pflanzen, viele Algen

18 Regulation der Energieübertragung (I) Cyanobakterien und Rotalgen

19 Excitation energy transfer between chlorophyll derivatives and singlet oxygen S2 intersystem t crossing S1 h ν h ν S0 intersystem T1 crossing EET photochemistry absorption phosphorescence intersystem crossing absorption intersystem crossing fluorescence chlorophyll S1 phosphorescence intersystem crossing T1 oxygen

20 Regulation der Energieübertragung (II) Mechanismen der Energieregulierung durch Carotinoide

21 Regulation der Energieübertragung (III): Xantophyll-Zyklus wenig Licht viel Licht wenig Licht viel Licht

22 Biophysik der photosynthetischen Lichtreaktionen Methoden zu ihrer Untersuchung

23 Wichtige Methoden zur Messung der Photosynthese-Aktivität Beispiel: IR-Messung von CO 2 -Assimilation

24 Extinktionsänderungen von PS II und PSI nach Belichtung

25 Chlorophyll-Fluoreszenz

27 Grundlage der in vivo Chl-Fluoreszenzkinetik: Energiezustände des Chls S2 intersystem crossing S1 h ν h ν intersystem crossing photochemistry absorption intersystem crossing absorption fluorescence S0 Chlorophyll

28 Wichtigste Symbole in der Chlorophyll-Fluoreszenzmessung

36 The Fluorescence Kinetic Microscope dichroic mirror b/w measuring CCD camera image intensifier b/w measuring CCD camera projective colour photo CCD camera projective Fibre optic coupling projective single lens, lens system filter (neutral, long pass, short pass) iris aperture light sources (short arc, flashlamp, tungsten) mirrors (flat, concave), switching mirror beam unifying prism shutter (manual, computer controlled) objective object condenser Küpper H, Šetlík I, Trtilek M, Nedbal L (2000) Photosynthetica 38(4),

Fluorescence kinetic microscopy Methods of data

parameters To obtain images of fluorescence

are selected and the necessary mathematical

False colour image of F m Chl False colour map of F

differences in this parameter fluorescence kinetic

Method 2: kinetics of selected areas (objects) To

selected on a captured frame or parameter image.

38 Fluorescence kinetic microscopy Methods of data processing Method 1: images of fluorescence parameters To obtain images of fluorescence parameters, frames within the relevant time periods are selected and the necessary mathematical operations are performed on every pixel. False colour image of F m Chl False colour map of F v /F m, showing fluorescence calculated l from the differences in this parameter fluorescence kinetic film over the entire image. Method 2: kinetics of selected areas (objects) To obtain kinetic traces, the relevant regions are selected on a captured frame or parameter image. The kinetics of all pixels within the selected areas are averaged. Manual selection of objects for kinetic analysis. Fluorescence induction of selected objects, showing all differences in kinetics for representative cells.

39 Beispiel zur Anwendung von Einzelzell-in vivo- Fluoreszenzkinetiken: Untersuchung photosynthetischer Oscillationen

für Quantenausbeute des photosyn- thetischen Elektronen- Transports NPQ: Maß für

40 Beispiel zur Anwendung von spektral aufgelösten in vivo- Fluoreszenzkinetiken: Änderungen der Fluoreszenzkinetik- Parameter unter Schwermetallstress Φ PSII : Maß für Quantenausbeute des photosynthetischen Elektronen- Transports NPQ: Maß für Wärmeabgabe Küpper H, Aravind P, Leitenmaier B, Trtilek M, Šetlík I (2007) New Phytol. 175,

41 Alle Folien meiner Vorlesungen im Internet unter /FuF/Bio/kuepper/Homepage /AG_Kuepper_education.html education

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