Zweiphotonenuntersuchungen zur Rolle von Carotinoiden in der Regulation der Photosynthese

Wehling, Axel

Carotinoide spielen sowohl als Lichtsammelpigmente als auch für die enzymatische Energieflussregelung zwischen den Pigmenten in den Pigment-Proteinkomplexen der Photosynthese eine wichtige Rolle. Unglücklicherweise sind die genauen Mechanismen der Energieübertragung zwischen Chlorophyllen und Carotinoiden durch den einphotonen-verbotenen ersten angeregten Zustand der Carotinoide schwer detektierbar. Ein Lösungsansatz dieses Problems bietet die selektive Zweiphotonenanregung dieser Zustände durch die Umkehr der optischen Auswahlregeln. Zeitaufgelöste Femtosekunden Pump-Probe Experimente am Photosystem I (PS I) aus Thermosynechococcus elongatus ergeben hierbei, dass rund 50 % der Carotinoid S(1)-Energie mit einer Zeitkonstante von 800 fs auf die benachbarten Chlorophylle übertragen werden kann. Der Vergleich der Messungen mit konventionellen Einphotonen Pump-Probe Experimenten zeigt hierbei, dass schnelle Carotinoid S(1) Dynamiken nur verlässlich durch die direkte Zweiphotonenanregung dieses Zustandes erhalten werden können. Durch direkte Zweiphotonenanregungen der Carotin S(1)-Zustände intakter Pflanzen werden Änderungen der Energieflüsse zwischen Carotinoiden und Chlorophyllen nachgewiesen, die das Modell des molekularen Schaltmechanismus bestätigen. Hierbei wird von einer enzymatischen reversiblen Umwandlung der Xanthophylle in Abhängigkeit der Lichtintensität ausgegangen, die ein Energiefluss von den Carotinoiden auf die Chlorophylle im dunkel adaptierten Zustand und einen umgekehrten Energiefluss im hell adaptierten Zustand zur Folge hat. Messungen mit einem Enzym-Inhibitor zeigen, dass sowohl die Lichtadaption wie auch die Änderungen des Energieflusses zwischen den Carotinoiden und Chlorophyllen stark verlangsamt ist. Die Methode der Zweiphotonenanregung bietet somit ein wertvolles Werkzeug für Untersuchungen lebender Pflanzen in Bezug auf Photosyntheseregulationen und Pflanzenvitalität.

Carotenoids play a crucial role as light-harvesting pigments in photosynthesis and in the regulation of the energy flows in the photosynthetic apparatus. Unfortunately detailed insight of the underlying mechanism was very often impossible due to the optically forbidden character of the first excited state of carotenoids. An elegant approach is the investigation of this one-photon forbidden state via selective two-photon excitation. This is possible due the change of the optical selection rules. Time-resolved femtosecond two-photon pump-probe experiments measured with Photosystem I (PS I) of Thermosynechococcus elongatus allow determination that about 50 % of the carotenoid S(1)-energy can be potentially transferred to the chlorophylls in Photosystem I with a time constant of 800 fs. In direct comparison with common one-photon pump-probe studies this work proves that fast carotenoid S(1) dynamics can only be reliably determined after direct carotenoid S(1) excitation. Selective two-photon excitations of the carotenoid dark states of living plants show that the change in carotenoid-chlorophyll energy flow proposed by a model called molecular gear shift indeed takes place. The molecular gear shift model proposes that a reversible and step-wise enzymatic modification of the electronic structure of xanthophyll carotenoids enables a switching between carotenoid-to-chlorophyll light-harvesting under dark-adapted conditions and chlorophyll-to-carotenoid quenching under light-adapted states. Treatment of plants with xanthophyll cycle inhibitors slows down both the light adaption and the carotenoid-chlorophyll energy flow changes by the same extent. The shifting can be observed in real time in any plant providing an important new tool for the determination and investigation of photosynthetic regulation and fitness of plants in the field.

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Wehling, Axel: Zweiphotonenuntersuchungen zur Rolle von Carotinoiden in der Regulation der Photosynthese. 2006.

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