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Max Plank Institut für biophysikalische Chemie - Interessante Arbeit zur Erforschung der Photosynthese - Wie lange kann ein Molekül in verschiedenen Lösungsmitteln Lichtenergie speichern.?

Bereich: Forschung ~ berichten

Dr. Dieter Porth - GöttingenIn den Pflanzen wird Sonnenlicht aufgenommen und über komplizierte chemische Prozesse letztendlich in Zucker gewandelt. Das obige Experiment untersucht, wie schnell bei Carotin Licht aufgenommen und an benachbarte Moleküle weitergegeben wird. .Carotine kommt zum Beispiel in Karotten vor. Das Wissen um solche Prozesse ist wichtig, wenn man im Labor die Photosynthese nachbauen will. In der Natur wird die Energie nicht an das Lösungsmittel abgegeben sondern zum Umbaus des Moleküls selbst verwandt. Diese Umbau ist nach dem Prinzip der verkoppelten Reaktion wichtig, um die aufgenommene Energie dem Stoffwechsel als chemische zur Verfügung stellen zu können.
Interessant ist das Messprinzip., dass sich an das Prinzip einer Löschkette anlehnt. Mit Hilfe des Laser wird dem Carotin ein Lichtquant zugeworfen. Solange dass Carotin den Lichtquant noch nicht abgegeben hat, kann es kein neues Lichtquant aufnehmen. (In einer Löschkitte gilt ähnliches, solange der Nachfolgende noch einen Löscheimer in der Hand hat, kann er keinen neuen Eimer aufnehmen. ) Nun misst man durch eine geschickte Messanordnung, wie lange es braucht, bis das Carotin das aufgenommene Lichtquant an die umgebenen Lösungsmittel weitergegeben hat.

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Pressemitteilung MPI für biophysikalische Chemie [ Homepage ] (Pressearbeit Dr. Ch. Nothdurft)

[Göttingen - 01.02.06] [Quelle: Website]

Berichte aus den Abteilungen - Ultrafast primary processes in the photochemistry of carotenoids von Thomas Lenzer and Kawon Oum (Abt. Spektroskopie und photochemische Kinetik)
... [englischer Text]
Zusammenfassung
Die intramolekulare Dynamik von Carotinoiden auf der Femtosekunden- bis Pikosekunden- Zeitskala hat in neuerer Zeit großes Interesse erweckt, da diese Molekülklasse eine wichtige Rolle bei der Photosynthese von Pflanzen und Algen spielt. Hier fungieren Carotinoide z.B. als Lichtfänger im blau-grünen Spektralbereich und transferieren ihre Anregungsenergie auf Chlorophyll-Moleküle. Dieser Transfer steht in Konkurrenz mit strahlungslosen Prozessen, in diesem Fall der inneren Konversion (internal conversion = IC) aus dem zweiten und ersten angeregten elektronischen Zustand (S2 und S1), welche schon in isolierten Carotinoid-Molekülen in Lösung beobachtet wird. Um die Funktion von Carotinoiden in komplexen biologischen Umgebungen zu verstehen, ist es notwendig, zunächst ihre Dynamik in Lösungsmitteln unterschiedlicher Polarität

zu charakterisieren und dort Zeitkonstanten für die IC-Prozesse zu bestimmen.
Hierzu benutzen unsere Gruppen in enger Kollaboration zwei unterschiedliche ultraschnelle Laser-Anregungs-Abfrage- Experimente. Die Carotinoide werden jeweils mit einem Laserpuls von 100 fs Länge in den S2-Zustand angeregt. Die Geschwindigkeit der sich anschließenden sequentiellen IC-Prozesse S2?S1?S0 bestimmen wir dann mit einem zweiten ultrakurzen Laserpuls zum einen über die charakteristische transiente Absorption (TA) der entsprechenden elektronischen Zustände (hier S1 oder S0) bei verschiedenen Wellenlängen. Zum anderen benutzen wir ein Verfahren unter Verwendung transienter Linsen (TL), bei dem die intramolekulare Dynamik der verschiedenen Elektronenzustände aufgrund ihres unterschiedlichen Brechungsindex mit einem zweiten - in desem Fall nicht resonanten - Laserpuls zeitaufgelöst verfolgt werden kann. Charakteristisch für Carotinoide ist ihr Kohlenstoffgerüst, welches aus alternierenden Einzel- und Doppelbindungen besteht. Diese bilden ein konjugiertes p-Elektronensystem, das von zentraler Bedeutung für ihre spektroskopischen Eigenschaften ist. Wir interessieren uns insbesondere für die Gruppe der Carbonyl- Carotinoide, bei denen zusätzlich eine oder mehrere C=O-Gruppen an das konjugierte System gekoppelt sind. Diese Moleküle zeigen eine faszinierende Variabilität in ihrer intramolekularen Dynamik. Zur Illustration stellen wir in diesem Bericht zwei Carotinoide vor, die extreme Unterschiede in der lösungsmittelabhängigen ICDynamik zeigen. 12'-Apo-ß-carotin-12'-al, ein Apocarotinoid mit einer endständigen Aldehydgruppe, zeigt in polaren Lösungsmitteln wie Methanol eine um ca. den Faktor 30 schnellere IC-Geschwindigkeit für den Übergang S1?S0 (7.8 ps) als z.B. im unpolaren Hexan (224 ps). Dies ist der bisher stärkste für ein Carotinoid beobachtete Polaritätseinfluß. Möglicherweise kommt es zu einer starken Stabilisierung eines kombinierten S1/ICT-Zustands (ICT = Intramolecular Charge Transfer = Intramolekularer Ladungstransfer), für den polare Lösungsmittel eine Struktur stabilisieren, bei der Elektronendichte von der Polyenkette auf die C=O-Gruppe übertragen wird. Im Gegensatz dazu zeigen C40- Carotinoide, die zwei Carbonylgruppen im terminalen ß-Ionon-Ring besitzen, wie z.B. Canthaxanthin, überhaupt keinen Polaritätseinfl uß. Dieses mag darin begründet liegen, daß die Ringe aus der Ebene des Carotinoidgerüsts herausgedreht sind, womit die Konjugation mit den C=O-Gruppen signifi kant verschlechtert wird. Somit wird die Bildung eines S1/ICT-Zustands vermutlich verhindert. Die genauen Ursachen für diese Unterschiede sind allerdings noch unklar, weshalb wir im Moment weiterführende ultraschnelle spektroskopische Untersuchungen an einer Reihe anderer Carotinoide mit unterschiedlichen Carbonyl-Funktionen und Kettenlängen durchführen. ....
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Was macht die Meldung wichtig?

Wie interdisziplinär ist die Forschung? Da die Forscher das Lösungsmittel nur über die Polarität bewerten, scheinen hier nur Physiker am Werk zu sein. Was passiert, wenn man die intermolekularen Überlappung von Molekülorbitalen als Wahrscheinlichkeit dafür interpretiert, dass ein Lichtquant an die Lösungsmittel moleküle abgegeben wird?