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Montag, 23.01.2017
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Feueralgen mit integriertem Blitzableiter

Besonderes Farbstoffmolekül im Lichtsammelkomplex leitet überschüssige Energie ab

Bei zu viel Licht können sich während der Photosynthese Sauerstoffradikale bilden, die die Zelle schädigen. Feueralgen haben einen einzigartigen Lichtsammelkomplex – Antenne -, der bei zu viel Licht die überschüssige Energie sehr effizient ableiten kann, ohne die Zelle zu schädigen. Welche Moleküle in der Antenne dabei von Bedeutung sind, haben jetzt Biophysiker herausgefunden.
Pigmentmoleküle im Peridinin-Chlorophyll-Protein

Pigmentmoleküle im Peridinin-Chlorophyll-Protein

Sie konnten eine Art integrierten Blitzableiter identifizieren: Eines von vier Karotenoid-Molekülen, die mit dem Chlorophyll zusammen einen Komplex bilden, wechselwirkt mit einem „kurzlebigen“, im Nanosekunden-Bereich liegenden, energetisch angeregten Zustand des Chlorophylls.

Sobald das Chlorophyll in einen „langlebigen“ - Mikrosekunden-Bereich -, für die Zelle gefährlichen Energiezustand übergeht, leitet es die überschüssige Energie ab, schreiben die Forscher der Ruhr-Universität Bochum um Professor Eckhard Hofmann und Tim Schulte zusammen mit Kollegen aus den USA und Tschechien in den „Proceedings of the National Academy of Science“ (PNAS).

Grüne und gelbe bis rote Farbstoffe


Bei der Photosynthese wandeln Pflanzen und Algen über biophysikalische und biochemische Prozesse Lichtenergie in chemisch stabile Energiespeicherformen um. Für die Lichtsammlung essentiell sind Pigmente, die in Proteinkomplexen gebunden sind. Dabei absorbieren unterschiedliche Pigmente bei unterschiedlichen Wellenlängen des natürlichen Lichtspektrums - daher auch die unterschiedlichen Farben, die wir sehen.


Pflanzen nutzen als Pigment hauptsächlich das grüne Chlorophyll für die Lichtabsorption, sie besitzen aber auch Karotinoide - gelb, orange oder rot -, die für die vielfältige Farbgebung von Herbstlaub oder Früchten wie der roten Tomate verantwortlich sind. In Pflanzen können Karotinoide neben der Lichtsammlung überschüssige Lichtenergie abbauen, die nicht in der Photosynthese genutzt werden kann. So erfüllen sie vor allem eine Schutzfunktion, indem sie den Organismus bei zu hoher Sonneneinstrahlung vor der Bildung toxischer Sauerstoffradikale bewahren.

Karotenoid als Lichtsammelpigment


Feueralgen (Dinoflagellaten) sind ein wichtiger Bestandteil des Planktons in den Ozeanen und leben in Wassertiefen von etwa zehn Metern. Eine Besonderheit der Feueralgen ist, dass sie ein Karotenoid, das Peridinin, als Lichtsammelpigment verwenden. Dabei nutzen diese Algen aus, dass Peridinin genau in dem Wellenlängenbereich des Lichts absorbiert, der in dieser Tiefe vorwiegend ankommt.

Die Dinoflagellaten produzieren dafür einen einzigartigen Lichtsammelkomplex, das Peridinin-Chlorophyll-Protein. Dieser Komplex beherbergt pro vier Peridinin-Moleküle ein Chlorophyll-Molekül. Die Peridinine sammeln das ankommende Licht und übertragen die Energie sehr effizient auf das interne Chlorophyll-Molekül.

Forscher nehmen an, dass die Energie dann von diesem Chlorophyll-Molekül an andere Lichtsammelproteine und letztlich an die zentralen Photosysteme weitergeleitet wird, in denen die Energieumwandlung und Sauerstoffproduktion stattfindet.

Karotinoid bemerkt angeregten Zustand des Chlorophylls


Den Bochumer Forschern ist es jetzt in einer internationalen Zusammenarbeit gelungen, durch gezielte Modifikation des Peridinin-Chlorophyll-Proteins ein einzelnes Peridinin-Molekül aus dem Peridinin-Quartett zu identifizieren, das stärker mit dem zentralen Chlorophyll wechselwirkt.

Dieses Peridinin-Molekül ist so nah am Chlorophyll lokalisiert, dass es den angeregten Energie-Zustand des Chlorophylls bemerkt. Diese räumliche Nähe scheint auch Voraussetzung dafür zu sein, die Bildung eines langlebigen angeregten Chlorophyll-Zustands zu unterbinden. Die Bildung eines solchen langlebigen so genannten Triplettzustands führt zur Entstehung von toxischen Sauerstoffradikalen, die die Zelle schädigen.

Erfolgreiche internationale Zusammenarbeit


Um diese Karotenoid-Chlorophyll Wechselwirkung zu erforschen, war es notwendig, die in Bochum durchgeführten strukturbiologischen Arbeiten mit Femtosekunden-zeitaufgelöster Absorptionsspektroskopie zu kombinieren, die in Connecticut, USA, stattfand.

„Die Arbeiten sind ein hervorragendes Beispiel für eine interdisziplinäre internationale Zusammenarbeit“, freut sich Hofmann. Aufbauend auf Vorarbeiten mit Forschern um Roger Hiller aus Australien konnten die untersuchten Proteine von den Bochumer Biophysikern strukturell analysiert werden. In einer sehr engen Kooperation mit den Forschern um Harry Frank und Dariusz Niedzwiedzki in Connecticut wurden die ultraschnellen spektroskopischen Messungen durchgeführt.

Die Interpretation der Ergebnisse unterstützten dann anschließend Robert Birge, Connecticut, und Tomas Polivka von der University of South Bohemia, Tschechien.
(idw - Ruhr-Universität Bochum, 25.11.2009 - DLO)
 
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