Photosynthese: Anders als gedacht

RUB erforscht Details der Photosynthese

Der Mensch hat ein Problem: Energetisch gesehen ist er ein Konsument. Mit der Nahrung nimmt er Vitamine und Mineralstoffe auf, aber das wesentlichste ist die Energie, die er nicht für sich selbst produzieren kann. Angewiesen ist er dabei auf die grünen Pflanzen als Produzenten. Forschern aus Berlin gelangen im letzten Jahr erstmalig eine Röntgen-Kristallstrukturanalyse des Photosystems II mit einer noch nie da gewesenen Auflösung von 3 Angström. Sie hatten den „einzigartigen Haufen“ dreidimensional aufgelöst.

Hohe Oxidationskraft
Bei der Photosynthese fängt das grüne Pigment Chlorophyll Sonnenlicht ein und nutzt es, um Wasser in lebensnotwendigen Sauerstoff zu spalten. Bei dieser Verbrennung von Wasser ist ein hohes elektrisches Potenzial erforderlich – das höchste, das in einem lebenden Organismus gefunden wird. Biologen der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Prof. Dr. Matthias Rögner haben zusammen mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Bioorganische Chemie um Prof. Dr. Alfred Holzwarth jetzt herausgefunden, in welcher Reihenfolge die ersten Schritte bei der Photosynthese ablaufen.

[RUB: Der Prozess der Photosynthese findet in den inneren Membranen des Cyanobakteriums (l. oben) analog zum Prozess in allen grünen Pflanzen statt. Aus diesen Membranen (Mitte) wird das Photosystem 2, welches im Licht Wasser spalten kann, isoliert und charakerisiert (r. unten: 3-D-Struktur des Proteins]

Die Spaltung von Wasserstoff als zentrale Funktion für die Speicherung von Solarenergie wird im Photosystem nicht durch ein „Spezialpaar Chlorophyll“ vorgenommen, sondern durch ein monomeres Pigment. Das gefundene Chlorophyll D1 war nach bisheriger Überzeugung aller Biologen gar nicht dafür vorgesehen. „Obwohl es sehr nahe am bisher für das eigentliche Reaktionszentrum gehaltene Chlorophyll-Paar – das analoge Pigmentpaar in den Reaktionszentren von photosynthetischen Bakterien wird als „spezielles Paar“ bezeichnet – liegt, hatte es niemand „auf seiner Rechung“, blickt Rögner auf seine Forschung zurück. Dieses Prinzip soll es nach Meinung des Biologen auch im ersten Photosystem geben.

Schnelle Weiterleitung
Für ihre Forschung haben die Wissenschaftler große Mengen reines Protein genommen. Sie entnahmen es den einfachsten Modellpflanzen, den Cyanobakterien. Damit konnten sie noch ein zweites wesentliches Merkmal entdecken: Das Photosystem II besitzt große Antennen aus vielen Chlorophyllen, welche die Lichtenergie sehr effektiv einfangen. Sie müssen diese allerdings praktisch verlustfrei zu den weit entfernten Reaktionschlorophyllen weiterleiten. Messungen haben ergeben, dass diese Weiterleitung schneller abläuft als der erste Schritt der Energiegewinnung. Das spielt eine Rolle bei der effektiven Ausnutzung der Lichtanregung: Die Weiterleitung ist auf Grund der schnelleren Reaktion nicht der limitierende Faktor. Übrigens: Die ersten Prozesse laufen bei den Pflanzen in Zeitbereichen von wenigen Picosekunden ab. Eine Picosekunde sind 10 bis 12 Sekunden.
Die Forscher wollen natürlich ganz genau wissen, was passiert, wenn Licht auf eine Pflanze trifft. Es geht um die Frage: „Wie laufen die Vorgänge der Umwandlung der Lichtenergie auf molekularer Ebene ab und was können wir daraus lernen, um die hohe Effizienz dieser natürlichen Vorgänge gewinnbringend zu kopieren?“

Veröffentlicht wurde die Studie in: „Proceedings of the national Academy of Sciences“: Holzwarth, Rögner et al.: Kinetics and Mechanism of electron transfer in intact Photosystem 2 and in the isolated reaction center: Pheophytin is the primary electron acceptor: PNAS Vol. 103 (2006); S. 6895 - 6900

roRo; Bild: RUB