Die Photosynthese ist die Basis allen Lebens auf der Erde. Einen sehr viel besseren Einblick in die Strukturen, die diese Umwandlung des Sonnenlichts in chemische Energie bewirken, haben jetzt Forscher gewonnen und in der Zeitschrift Nature publiziert.
Das jetzige Leben auf der Erde wurde nur möglich, weil vor 3,5 Milliarden Jahren Cyanobakterien mit der Photosynthese begannen, einem der wichtigsten biologischen Energie-Umwandlungsprozesse, der später von grünen Algen und höheren Pflanzen übernommen wurde. Bei der Photosynthese fängt das grüne Pigment Chlorophyll Sonnenlicht ein, dessen Energie benutzt wird, um Wasser oxidativ in lebensnotwendigen Sauerstoff zu spalten (Lichtreaktion). Die dabei freigesetzten Wasserstoff-Ionen und Elektronen wandeln in einem weiteren Schritt Kohlendioxid aus der Luft in Kohlenhydrate um (Dunkelreaktion), die Grundlage aller Nahrung sind.
Diese beiden gekoppelten Prozesse werden in der Thykaloidmembran der Zellen von zwei großen Protein-Cofaktor-Komplexen bewerkstelligt. Die Struktur des für die Sauerstoffentwicklung zuständigen Photosystems II (PS II) wurde jetzt mit einer Auflösung von drei Angström (1 Angström = zehn hoch minus zehn Meter) von Professor Wolfram Saenger am Institut für Chemie und Biochemie der Freien Universität Berlin gemeinsam mit Kollegen vom Max-Volmer-Laboratorium der TU Berlin in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ publiziert.
Neue Einblicke in Molekülkomplex
Die neuen Daten eröffnen wesentlich detailliertere Einblicke in den großen Protein-Cofaktor- Komplex. In großer Klarheit zeigen sich nun die dreidimensionalen Strukturen von je zwanzig Protein-Untereinheiten, 35 Chlorophyll-a Molekülen, elf Carotinen, je zwei Pheophytinen, Plastochinonen und Haemgruppen, 14 Lipiden, je einem Bicarbonat- und Eisen(II)-Ion, drei Detergenzmolekülen und des einzigartigen, aus vier Mangan-Ionen und einem Calcium-Ion bestehenden Clusters, an dem das Wasser letztlich oxidiert wird.
Die Zuordnung der Carotine gewährt neue Einblicke in den Elektronen- und Energietransfer im Reaktionszentrum und in den Licht sammelnden Antennen-Untereinheiten. Die 14 integral-gebundenen Lipide waren bis dato nicht erkennbar. Ihre hohe Zahl und ihre Positionen sprechen dafür, dass sie eine wichtige Funktion für Flexibilität und Architektur des PS II ausüben.
Photosynthese als Modell für umweltschonende Energiegewinnung
Aus Position, Geometrie und Koordination der Metall-Ionen im Mangan- Calcium-Cluster erhoffen sich Physiker und Chemiker entscheidende Informationen zum Verständnis des Mechanismus der Wasseroxidation. Um Wasser zu Sauerstoff zu oxidieren, bedarf es des höchsten elektrischen Potentials, das je in einem Organismus gefunden wurde: 1,2 Volt. Je mehr Details sichtbar werden, desto klarer wird: Hinter der allgemein bekannten, scheinbar simplen chemischen Gleichung der Photosynthese verbergen sich Dutzende Einzelreaktionen, viele winzige chemische Klimmzüge, mit denen Bakterien, grüne Algen und Pflanzen diesen gewaltigen Prozess bewerkstelligen.
Die Forschungen an den Photosystemen der Pflanzen dienen dem besseren Verständnis der Photosynthese und damit generell der Umwandlung von Lichtenergie in chemische oder mechanische Energie. Die detaillierte Kenntnis dieser Vorgänge ist eine notwendige Voraussetzung, um Umwelt- und Ressourcen-schonende Energieformen für die Zukunft entwickeln zu können. Dies den Algen, Bakterien und Pflanzen einmal ähnlich raffiniert nachzumachen, wird eine große Herausforderung für die Wissenschaft sein.
(Freie Universität Berlin, 15.12.2005 – NPO)
