Energie- und Ladungstransferkinetik in Photosystem II Kernkomplexen

Abstract

Zur Durchführung von annihilationsfreien transienten Absorptionsmessungen mit unabhängig durchstimmbarer Pump- und Testwellenlänge im ps-Zeitbereich an Systemen mit vielen gekoppelten Chromophoren wurde eine hochrepititive und hochsensitive Meßapparatur aufgebaut.

Kombinierte zeitaufgelöste Absorptions- und Fluoreszenzmessungen wurden an Photosystem II Kernkomplexen (PS II) aus Spinat und dem Cyanobakterium Synechococcus el. durchgeführt. Dabei zeigen die beiden Präparationen in der Energie- und Ladungstransferkinetik große Gemeinsamkeiten.

Erstmals konnte eine Equilibrierungskomponente der Anregungsenergie mit beiden Techniken aufgelöst werden. Eine Anregungswellenlängenunabhängigkeit der Fluoreszenzkinetik von offenen und geschlossenen PS II beider Präparationen wurde gezeigt. Dies unterstützt eine trap-Limitierung der Ladungstrennung. An geschlossenen PS II wurde eine schnelle, ~50 ps Komponente detektiert und über eine Targetanalyse der Gleichgewichtseinstellung zwischen angeregtem Zustand und primärer Ladungstrennung zugeordnet. Diese Zeit ist vergleichbar mit der in offenen PS II.

Die Kinetik offener PS II wurde mit dem excited state- radical pair equilibrium Modell und die Kinetik geschlossener PS II mit diesem Modell erweitert um zwei relaxierte Radikalpaare beschrieben. Dabei findet die Relaxation des primären Radikalpaares im geschlossenen PS II schon im sub-ns Bereich, im gleichen Zeitbereich wie die Ladungsstabilisierung im offenen PS II statt. Da sich sowohl die Ratenkonstanten der Ladungstrennung als auch der ýrekombination beim Schließen der PS II stark ändern, ist der Fluoreszenzanstieg weder der prompten noch der verzögerten Fluoreszenz zuzuordnen, die nur die Änderung jeweils einer der beiden Ratenkonstanten implizieren.

A highly sensitive experimental set-up was build to conduct annihilation free transient absorption measurements on multi-chromophor systems in the picosecond time domain with independent pump and probe wavelengths.

Combined time resolved fluorescence and absorption measurements were performed on Photosystem II core complexes (PS II) from spinach and the cyanobacterium Synechococcus el. Respectively. Both preparations show strong similarities in the energy and electron transfer kinetics.

For the first time it was possible to detect an equilibration component of the excitation energy with both techniques. The fluorescence kinetics in open and closed PS II was shown to be independent of the excitation wavelength. This supports a trap-limitation of the charge separation reaction. A fast (~50 ps) component was detected in closed PS II and assigned to the equilibration process between the excited state and the primary charge separated state by performing of a target analysis. This time is comparable with the corresponding time detected in open PS II.

The kinetics in open PS II are well described with the excited state- radical pair equilibrium model. In closed PS II an expansion of this model by two relaxed radical pairs was necessary. The relaxation of the primary radical pair takes place already within sub-ns, the time scale of the charge stabilisation reaction in open PS II.

The rate constants for charge separation and ýrecombination both change strongly by closing PS II. Therefore the rise in the fluorescence intensity is neither explained by prompt nor by delayed fluorescence, which imply only the change of just one of the two rate constants.