Dissertation Jörg von Gersdorff

Einleitung und Aufgabenstellung

Der wohl bedeutendste Vorgang in der belebten Natur, die Photosynthese, ist Gegenstand einer Vielzahl wissenschaftlicher Arbeiten, die um eine Vertiefung der Kenntnisse über den Ablauf und die physikalischen Grundlagen dieses Vorganges bemüht sind. Das enorme wissenschaftliche Interesse an diesem Gebiet beinhaltet auch die große Hoffnung, daß es auf der Grundlage detaillierter Kentnisse über die elementaren Prozesse der natürlichen Photosynthese in der Zukunft möglich ist, künstliche Systeme zu schaffen, die in der Lage sind, Sonnenenergie in elektrische und chemische Energie umzuwandeln. Die Nutzung der Sonnenenergie durch artifizielle Photosynthese im technischen Maßstab könnte die Unabhängigkeit von den stark limitierten Ressourcen an fossilen Energieträgern wie Kohle, Erdgas und Erdöl und somit die dauerhafte Lösung des Energieproblems dieser Welt bedeuten.

Der Elementarprozeß der Photosynthese ist die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Im Primärschritt werden Elektronen durch Photoinduktion über die photosynthetische Membran transferiert. Die resultierende elektrische Potentialdifferenz wird für den Aufbau energiereicher Moleküle wie z. B. Kohlenhydrate, Fett- und Aminosäuren genutzt und somit als chemische Energie gespeichert. Das Leben auf unserer Erde hängt letztendlich von der Fähigkeit der Pflanzen und anderer photosynthetisch aktiver Organismen (photosynthetisierende Bakterien, Algen) ab, mit Hilfe des Sonnenlichtes als Energielieferant organische Verbindungen zu synthetisieren.

Zu den Pionierleistungen auf dem Gebiet der Photosyntheseforschung zählt die Kristallisation und Röntgenstrukturanalyse eines bakteriellen Photosynthese-Reaktionszentrums (kleinste zur lichtinduzierten Ladungstrennung befähigte Untereinheit) . Diese von Michel, Deisenhofer und Huber[1] geleistete Arbeit wurde 1988 mit der Verleihung des Nobelpreises gewürdigt. Der Nobel-Vortrag von R. Huber (Abdruck der deutschen Fassung in Lit.[2]) gibt eine zusammenfassende Darstellung über die Struktur und Funktion des Photosynthese-Reaktionszentrums. In Abbildung 1 ist die Anordnung der Pigmente im Reaktionszentrum des Bakteriums Rhodopseudomonas viridis als ein Ergebnis dieser Strukturanalyse gezeigt.

[Abb. 1]

Abb. 1. Modell des Reaktionszentrums von Rhodopseudomonas viridis nach der Röntgenstrukturanalyse von Michel et al.[1] Die Zahlen geben die Abstände zwischen den Pigmentzentren in Ångström [Å] an. (BChl)2 = Dimer von Bakteriochlorophyllen, BChl = Bakteriochlorophyll, BPh = Bakteriophäophytin, MQ = Menachinon, L- und M-branch sind Bezeichnungen für Untereinheiten des Proteins.

Die Pigmente Bakteriochlorophyll, Bakteriophäophytin und Menachinon (Molekülstrukturen siehe Abb. 4) sind annähernd symmetrisch um eine C2-Achse in das Proteingerüst eingebettet. Nach Singulett-Anregung des primären Donors, des Bakteriochlorophyll Dimers, wird ein Elektron über eine Reihe von sehr schnellen Schritten zu einem Chinonakzeptor transferiert (Abb. 2). Die hohe Effizienz dieser Ladungstrennung, deren Quantenausbeute nahezu eins ist, beruht auf der Tatsache, daß die individuellen Elektronentransferraten der zur Ladungstrennung führenden Hinreaktion um mindestens eine Größenordnung größer sind als die Reaktionsraten für die entsprechenden Ladungsrekombinationen in den Grundzustand.

[Abb. 2]

Abb. 2. Schematische Darstellung der Elektronentransportkette in Photosynthese Bakterien. Die angegebenen Zahlen geben die Größenordnung der entsprechenden Transferzeiten an.

Trotz der bahnbrechenden Arbeiten von Michel et al. gibt es wesentliche ungeklärte Fragen im Zusammenhang mit dem Primärschritt der Photosynthese. Eine der zentralen Frage ist die nach den Gründen für die enorme Bevorzugung der Ladungsseparation gegenüber der Ladungsrekombination. - Welchen Einfluß hat z. B. das Medium zwischen den Pigmenten auf den Elektronentransfer? - Inwiefern ist die durch das Proteingerüst festgelegte Anordnung der Pigmente in Bezug auf den Elektronentransfer optimiert? - Dient das die Kofaktoren umgebende Protein nur als Gerüst zur Festlegung einer bestimmten Anordnung der Pigmente, oder greift das Protein "aktiv", etwa als Elektronenleiter, in das ET-Geschehen mit ein? - Warum läuft der Elektronentransfer bevorzugt über den L-Zweig ab ("Unidirektionalität")? - Die Elektronentransferraten sind nahezu temperaturunabhängig, selbst bei weni-gen Grad Kelvin sind die natürlichen Systeme voll funktionsfähig, - warum läuft der Elektronentransfer offensichtlich ohne Aktivierungsenergie ab? -

Um Antworten auf diese Fragen zu finden, werden in Ergänzung zu den Untersuchungen an den sehr komplexen, aus Pflanzen, Algen oder Bakterien isolierten natürlichen Materialien auch Untersuchungen an wohldefinierten synthetischen Modellsystemen durchgeführt.[3,4] Im Labor werden einzelne, am natürlichen System beobachtete Abläufe mit Hilfe von Modellverbindungen nachvollzogen und auf den Mechanismus sowie das physikalische Prinzip hin untersucht. Die im Vergleich zu den natürlichen Systemen wesentlich einfacher aufgebauten Modellsysteme sind im Labor leichter zu handhaben. Es lassen sich teilweise ganz gezielt Parameter variieren, so daß deren Einflüsse auf die zu untersuchenden Mechanismen studiert werden können. Komplexe biochemische Systeme sind oft nur unter großem Aufwand in ausreichender Quantität zu isolieren und nur in sehr begrenztem Maße unter Erhalt der biochemischen Funktionen zu modifizieren.

Das denkbar einfachste Modell für den Primärschritt der Photosynthese, den lichtinduzierten Elektronentransfer, besteht aus einem photoanregbaren Donor (D) und einem Elektronenakzeptor (A). Grundvoraussetzungen für eine Interpretation von Meßergebnissen, z. B. Elektronentransferraten, an solchen einfachen Modellen sind die genauen Kenntnisse der Strukturen und der räumlichen Anordnung von Donor und Akzeptor sowie Kenntnisse über das Medium. Um einen festen Abstand und eine definierte Anordnung zwischen Donor und Akzeptor zu erreichen, sollten beide Teile über eine möglichst "starre" Brücke (B) verknüpft sein (Abb. 3).[5,6] Die Brücke bildet auch, neben eventuell vorhandenen Lösungsmittelmolekülen, das Medium zwischen Donor und Akzeptor und übernimmt somit modellhaft die Funktion des Proteingerüstes.

[Abb. 3]

Abb. 3. Schematische Darstellung eines Photosynthesemodells bestehend aus Donor (D), Akzeptor (A), Brücke (B) und Medium (M).

Von besonderer Bedeutung bei der Untersuchung des Photosynthese-Primärschrittes sind die sog. biomimetischen Photosynthesemodelle.[3,4] Diese Modellverbindungen zeichnen sich durch eine strukturelle Verwandtschaft der als Donor und Akzeptor verwendeten Moleküle mit den Donoren und Akzeptoren des natürlichen Systems aus. Zu den biomimetischen Photosynthesemodellen par excellence zählen die kovalent verknüpften Porphyrin-Chinone (P-Qs). Das Grundgerüst des Chlorophylls (und auch des Phäophytins) steht in sehr enger Strukturbeziehung zum Porphyringrundkörper (Abb. 4). Porphyrine verfügen - wie die natürlichen Pigmente - über sehr hohe Extinktionskoeffizienten im sichtbaren Spektralbereich. Die Grundkörper der natürlichen Chinonakzeptoren sind p-Benzo- bzw. Naphthochinon.

Aufgabe der vorliegenden Arbeit ist die Synthese und spektroskopische Charakterisierung von biomimetischen Modellsystemen des Typs Porphyrin-Brücke-Chinon (P-B-Q) mit definierter Geometrie. Zur Untersuchung der Abhängigkeit der Elektronentransferraten von Parametern wie der freien Reaktionsenthalpie, des Donor-Akzeptor-Abstands, der Geometrie und der Struktur der Brücke ist es notwendig, Synthesestrategien nach einer Art "Baukastenprinzip" zu entwickeln, die eine definierte und selektive Veränderung der relevanten Parameter zulassen. Beim Entwurf der Modellverbindungen sowie bei der Syntheseplanung sollte die Möglichkeit der Variation der einzelnen "Bausteine", insbesondere des Brückenbausteines, berücksichtigt werden. Die Synthesewege werden ausführlich im präparativen Teil dieser Arbeit diskutiert.

Im spektroskopischen Teil der vorliegenden Arbeit werden die detaillierte Charakterisierung der Molekülstrukturen der Donoren und Akzeptoren, sowie Untersuchungen zur räumlichen Anordnung der Donor-Akzeptor-Komplexe mit magnetischen Resonanzmethoden beschrieben. Die im Rahmen dieser Arbeit dargestellten Porphyrin-Chinon-Verbindungen lassen sich durch Oxidation oder Reduktion in radikalische Spezies überführen. Es wird eine zusammenfassende Darstellung der Ergebnisse einer EPR/ENDOR-Studie an den paramagnetischen Oxidations- und Reduktionsprodukten gegeben. Mit Hilfe von zeitaufgelöster Fluoreszenz-Spektroskopie werden der lichtinduzierte Elektronentransfer vom Porphyrin-Donor zum Chinon-Akzeptor nachgewiesen und die Ratenkonstanten für die Ladungstrennungsreaktion bestimmt.

[Abb. 4]

Abb. 4. Molekülstrukturen der RZ-Pigmente von Rhodopseudomonas viridis und des Porphyringrundkörpers (Porphin).


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HTML-Formatierung: Burkhard Kirste, 1994/12/20