Biophysik der photosynthetischenBiophysik der photosynthetischen Lichtreaktionen

und Methoden zu ihrer Untersuchung g(I)

Schema der photosynthetischen Lichtreaktionen

Beispiele wichtiger LichtsammelkomplexeName des Komplexes Vorkommen Pigmente Absorptions-Maxima

PSII innere Höhere Pflanzen Chlorophyll a ca 680 nmPSII innereAntennenkomplexe

Höhere Pflanzen,Grünalgen,Braunalgen, Rotalgen,Cyanobakterien,...

Chlorophyll aCarotinoide

ca. 680 nm

LHC I Höhere Pflanzen,Grünalgen,

Chlorophyll a,Chlorophyll b,Carotinoide

ca. 680 nm

LHC II Höhere Pflanzen,Grünalgen

Chlorophyll aChlorophyll bCarotinoide

ca. 670 nm

Chl a/c-LHC Braunalgen,Diatomeen

Chlorophyll aChlorophyll cCarotinoide

ca. 670 nm

Phycobiliproteine Rotalgen,Cyanobakterien

Phycobiline: fest(kovalent) gebunden!

sehr variabel,ca. 450 nm(Phycourobiline) bis( y )ca. 670 nm(Allophycocyanine)

LH II Purpurbakterien Bakteriochlorophyll a ca 850 nmLH II Purpurbakterien Bakteriochlorophyll a,Bakteriochlorophyll b,Carotioide

ca. 850 nm

Photosynthetische Pigmente: Gemeinsame Charakteristika (I)

ß-Carotin

C

ß Ca o

Chlorophyll a

Photosynthetische Pigmente: Gemeinsame Charakteristika (I)Lehrbuch (Lawlor, 1990) korrekt

falsche delokalisierung fünfbindiger

vierbindiger ungeladener Stickstoff

gKohlenstoff

Photosynthetische Pigmente: Gemeinsame Charakteristika (II)

Photosynthetische Pigmente: Gemeinsame Charakteristika (II)

S2

i t t i

S1

intersystem crossing

i iT1

h·νb ti

intersystem crossing

photochemistry

h·νabsorption

absorptionfl

intersystem crossingintersystem crossing

phosphorescence

S0

fluorescence

Chlorophyll

Voraussetzung der Energieübertragung: Überlappende Emissions-/Absorptionsbanden

Mg-Chl a Absorption in Aceton Mg-Chl a Fluoreszenz in Aceton

Abs

orpt

ion

A

550 600 650 700 750Wellenlänge / nm

Abstimmung der Absorptionsbanden

Abstimmung der Absorptionsbanden (II)

Energieübertragung: Trichter-Prinzip (I)

Energieübertragung - Trichter-Prinzip (II): Schema und Absorptionsspektren in Cyanobakterien (Beispiel Trichodesmium)

Transmission von Filtern für selektive Anregung

Car

PUB = Phycourobilin

PC = Phyco-cyanin

PE = Phyco-erythrin

ChlRC

(Chl)

APC =Allo-

Phyco-cyanin

Energieübertragung (I)

Kurze Entfernung, erfordert Überlapp der Molekülorbitale (--> nur evtl. eng benachbarte g, pp ( gPigmentmoleküle im selben Protein): direkter Transfer von Anregungszuständen (Dexter-Mechanismus)

G öß E tf f d t Üb l d Ab ti /E i i kt ) T f

D* AGrößere Entfernung, erfordert Überlapp der Absorptions-/Emissionspektren): Transfer per induktiver Resonanz („Förster-Mechanismus)

D* A

Energieübertragung (II)

Mechanismus der Ladungstrennung

Aus: Barber J, 2003, QuartRevBiophys36, 71-89

1. “Special pair”-Chlorophylle (=P680) übernehmen Excitonen (=angeregte Zustände) von der Antenne2. P680 überträgt ein Elektron auf ChlD1 (“initial charge separation”)3. Binnen weniger ps wird das e- auf Phe ( P680+ / Phe-) übertragen (“primary charge separation”)

Geschwindigkeit der Energieübertragung im PSII Reaktionszentrumim PSII-Reaktionszentrum

Regulation der Energieübertragung (I): „state transitions“

Höhere Pflanzen viele AlgenHöhere Pflanzen, viele Algen

Regulation der Energieübertragung (I)

Cyanobakterien und RotalgenCyanobakterien und Rotalgen

Excitation energy transfer between chlorophyll derivatives and singlet oxygenp y g yg

S2

i t t i

S1

intersystem crossing

i iT1S1

h·νb ti

intersystem crossing EET

photochemistry

h·νabsorption

absorptionfl

intersystem crossingintersystem crossing

intersystem crossing

phosphorescence

phosphorescence

S0 T1

fluorescence intersystem crossing

chlorophyll oxygen

Regulation der Energieübertragung (II)

Mechanismen der Energieregulierung durch CarotinoideMechanismen der Energieregulierung durch Carotinoide

Regulation der Energieübertragung (III): Xantophyll-Zyklus

wenig Licht viel Licht wenig Licht viel Licht

Biophysik der photosynthetischen Lichtreaktionen

Methoden zu ihrer UntersuchungLichtreaktionen

g

Wichtige Methoden zur Messung der Photosynthese-Aktivität

Beispiel: IR-Messung von CO2-Assimilation

Extinktionsänderungen von PS II und PSI nach Belichtung

Chlorophyll-Fluoreszenz

Grundlage der in vivo Chl-Fluoreszenzkinetik: Energiezustände des Chls

S2

des Chls

intersystem crossing

S1

intersystem crossing

intersystem crossing

h·νabsorption

intersystem crossing

photochemistry

h·νabsorption

absorptionfluorescence

intersystem crossing

S0

fluorescence

Chlorophyll

Wichtigste Symbole in der Chlorophyll-Fluoreszenzmessung

The Fluorescence Kinetic Microscopedichroic mirrordichroic mirror

single lens, lens system

filter (neutral, long pass, short pass)

b/w measuring CCD camera

iris aperture

light sources (short arc, flashlamp, tungsten)

CCD camera

image intensifierFibre optic coupling

projectiveb/ mirrors (flat, concave), switching mirror

beam unifying prism

projectiveb/w measuringCCD camera projective

shutter (manual, computer controlled)p j

colour photo CCD camera projectivecamera p j

objectivej

object

condenserKüpper H, Šetlík I, Trtilek M, Nedbal L (2000) Photosynthetica 38(4), 553-570

Fluorescence kinetic microscopyMethods of data processing

Method 1: images of fluorescence parametersMethod 1: images of fluorescence parameters

To obtain images of fluorescence parameters, frames within the relevantframes within the relevant time periods are selected and the necessary mathematical operations are

False colour image of Fm Chl fl l l t d f

False colour map of Fv/Fm, showing th diff i thi t

performed on every pixel.

fluorescence calculated from fluorescence kinetic film

the differences in this parameter over the entire image.

Method 2: kinetics of selected areas (objects)To obtain kinetic traces, the o obta et c t aces, t erelevant regions are selected on a captured frame or parameter image. Th ki ti f ll i lThe 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.

Beispiel zur Anwendung von Einzelzell-in vivo-Fluoreszenzkinetiken:

Untersuchung photosynthetischer Oscillationen

Beispiel zur Anwendung von spektral aufgelösten in vivo-Fluoreszenzkinetiken: Änderungen der Fluoreszenzkinetik-

Parameter unter Schwermetallstress

NPQ: Maß für Wärmeabgabe

ΦPSII: Maß für Quantenausbeute des photosyn-thetischenthetischen Elektronen-Transports

Küpper H, Aravind P, Leitenmaier B, Trtilek M, Šetlík I (2007) New Phytol. 175, 655-674

Alle Folien meiner Vorlesungen im Internet unterAlle Folien meiner Vorlesungen im Internet unter

http://www.uni-konstanz.de/FuF/Bio/kuepper/Homepage/AG Kuepper education html/AG_Kuepper_education.html