Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Meilenstein zum Verständnis der Photosynthese

21.02.2001


Fotosynthese


Berliner Forschern gelang es erstmals, die Struktur des sauerstoffentwickelnden Photosystems II zu ermitteln / Veröffentlichung in Nature am 8. Februar 2001

Grüne Pflanzen, Algen und Cyanobakterien (Blaualgen) gewinnen ihre Energie durch die Photosynthese. Mit Hilfe des Sonnenlichtes wandeln sie Kohlendioxid und Wasser in Zucker sowie Sauerstoff um. Die Photosynthese arbeitet mit einer erstaunlichen primären Energieausbeute von mehr als 80 Prozent. Solarzellen, die heute im Einsatz sind, kommen auf einen viel niedrigeren Wirkungsgrad, der bei rund 30 Prozent liegt. Eine Vision vieler Wissenschaftler ist es daher, die Prinzipien der Photosynthese zu entschlüsseln und sie für die Energiegewinnung nutzbar zu machen. Dieser Prozess ist nicht nur hocheffizient, sondern auch regenerierbar und völlig umweltfreundlich. Die chemische Grundgleichung ist sehr einfach, der Mechanismus jedoch äußerst kompliziert und noch nicht vollständig aufgeklärt.

Berliner Wissenschaftlern des Max-Volmer-Instituts für Biophysikalische Chemie und Biochemie der Technischen Universität Berlin und des Instituts für Chemie, Kristallographie, der Freien Universität Berlin ist es gemeinsam gelungen, das Membranprotein Photosystem II, das den gesamten Sauerstoff in der Atmosphäre erzeugt, aus der Photosynthesemembran der Blaualge Synechococcus elongatus zu isolieren, zu kristallisieren und mit Hilfe von Röntgenstrahlen die Struktur zu ermitteln.

Innerhalb des Sonderforschungsbereiches "Protein-Kofaktor-Wechselwirkungen in biologischen Prozessen" beschäftigen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit den am Prozess der Photosynthese beteiligten Proteinen. Im Zentrum stehen dabei die zwei großen Protein-Komplexe Photosystem I und II, die in der Photosynthese-Membran liegen. Die Photosysteme können als molekulare Maschinen betrachtet werden, die die Energie des Sonnenlichtes einfangen und in biochemisch nutzbare Energie umwandeln.

Im Photosystem II finden die ersten Teilschritte der Photosynthese statt. Hier werden den Wassermolekülen mit Hilfe der Lichtenergie Elektronen "entzogen" und Sauerstoff in die Atmosphäre freigesetzt. Die Elektronen werden über die Membran transportiert und dort auf ein organisches "Empfängermolekül", ein Chinon, übertragen. Der Protein-Komplex besteht aus einem zentralen Bereich mit einem Reaktionszentrum, einem sauerstoffentwicklenden Komplex und aus einem sogenannten Antennenkomplex. Die dort angeordneten Chlorophyll-Moleküle fangen die Lichtenergie ein.

Kristalle des Photosystems II, die an der TU Berlin gezüchtet wurden, bilden die Basis für die Strukturbestimmung. Dabei ist das Protein in den Kristallen voll aktiv, d.h. bei Belichtung steigen von der Oberfläche der Kristalle Sauerstoffbläschen auf.

Die nun vorliegende Struktur des Photosystems II besteht aus 17 Protein-Untereinheiten, von denen 14 innerhalb der Membran liegen. Sie ermöglicht zwar nicht den Blick auf jedes einzelne Atom, wohl aber auf Atomverbände und gibt damit genaue Details der Tertiär- und Quartiärstruktur preis. Eindeutig konnten auch Positionen und Struktur mehrerer Kofakto-ren, beispielsweise von drei Eisen-Atomen oder von 32 Chlorophyllen bestimmt sowie erste Strukturinformationen über den sauerstoffentwickelnden Komplex gewonnen werden. Letzterer besteht aus einem Cluster von vier Mangan-Atomen. Damit ist ein Meilenstein zum Verständnis der Photosynthese und der Wasserspaltung erreicht.

Am 8. Februar 2001 wurden die Forschungsergebnisse in Nature (A. Zouni, H. T. Witt, J. Kern, P. Fromme, N. Krauß, W. Saenger, P. Orth, Nature 409, 739) publiziert. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert diese Grundlagenforschung im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 498 "Protein-Kofaktor-Wechselwirkungen in biologischen Prozessen", dessen Sprecherhochschule die TU Berlin ist. An dem Photosystem-II-Projekt waren die beiden Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Horst-T. Witt und Privatdozentin Dr. Petra Fromme der TU Berlin sowie um Prof. Dr. Wolfram Saenger und Dr. Norbert Krauß vom Institut für Chemie/Kristallographie der Freien Universität Berlin beteiligt.

Die Forschungsprojekte sollen zum besseren Verständnis der Photosynthese und damit generell der Umwandlung von Lichtenergie in chemische oder mechanische Energie beitragen. Eine notwendige Voraussetzung, um umwelt- und ressourcenschonende Energieformen für die Zukunft entwickeln zu können. Die Natur macht es in raffinierter Weise vor.

Weitere Informationen erteilt ihnen gern: Prof. Dr. Wolfgang Lubitz (Sprecher SfB 498 "Protein-Kofaktor-Wechselwirkungen in biologischen Prozessen"), Dr. Athina Zouni, Max-Volmer-Institut für Biophysikalische Chemie und Biochemie, Technische Universität Berlin, Straße des
17. Juni 135, 10623 Berlin, Tel.: 030/314-21419, -25580, -26403 Fax: 030/314-21122, E-Mail: lubitz@echo.chem.tu-berlin.de, zouni@phosis1.chem.tu-berlin.de

Ramona Ehret | idw

Weitere Berichte zu: Lichtenergie Meilenstein Photosynthese Photosystem Prozess

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Beleuchtung von Höhlen vertreibt Fledermäuse – die Farbe des Lichts spielt nur untergeordnete Rolle
11.12.2019 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Molekulare Milch-Mayonnaise: Wie Mundgefühl und mikroskopische Eigenschaften bei Mayonnaise zusammenhängen
11.12.2019 | Max-Planck-Institut für Polymerforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochgeladenes Ion bahnt den Weg zu neuer Physik

In einer experimentell-theoretischen Gemeinschaftsarbeit hat am Heidelberger MPI für Kernphysik ein internationales Physiker-Team erstmals eine Orbitalkreuzung im hochgeladenen Ion Pr9+ nachgewiesen. Mittels einer Elektronenstrahl-Ionenfalle haben sie optische Spektren aufgenommen und anhand von Atomstrukturrechnungen analysiert. Ein hierfür erwarteter Übergang von nHz-Breite wurde identifiziert und seine Energie mit hoher Präzision bestimmt. Die Theorie sagt für diese „Uhrenlinie“ eine sehr große Empfindlichkeit auf neue Physik und zugleich eine extrem geringe Anfälligkeit gegenüber externen Störungen voraus, was sie zu einem einzigartigen Kandidaten zukünftiger Präzisionsstudien macht.

Laserspektroskopie neutraler Atome und einfach geladener Ionen hat während der vergangenen Jahrzehnte Dank einer Serie technologischer Fortschritte eine...

Im Focus: Highly charged ion paves the way towards new physics

In a joint experimental and theoretical work performed at the Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics, an international team of physicists detected for the first time an orbital crossing in the highly charged ion Pr⁹⁺. Optical spectra were recorded employing an electron beam ion trap and analysed with the aid of atomic structure calculations. A proposed nHz-wide transition has been identified and its energy was determined with high precision. Theory predicts a very high sensitivity to new physics and extremely low susceptibility to external perturbations for this “clock line” making it a unique candidate for proposed precision studies.

Laser spectroscopy of neutral atoms and singly charged ions has reached astonishing precision by merit of a chain of technological advances during the past...

Im Focus: Ultrafast stimulated emission microscopy of single nanocrystals in Science

The ability to investigate the dynamics of single particle at the nano-scale and femtosecond level remained an unfathomed dream for years. It was not until the dawn of the 21st century that nanotechnology and femtoscience gradually merged together and the first ultrafast microscopy of individual quantum dots (QDs) and molecules was accomplished.

Ultrafast microscopy studies entirely rely on detecting nanoparticles or single molecules with luminescence techniques, which require efficient emitters to...

Im Focus: Wie Graphen-Nanostrukturen magnetisch werden

Graphen, eine zweidimensionale Struktur aus Kohlenstoff, ist ein Material mit hervorragenden mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften. Doch für magnetische Anwendungen schien es bislang nicht nutzbar. Forschern der Empa ist es gemeinsam mit internationalen Partnern nun gelungen, ein in den 1970er Jahren vorhergesagtes Molekül zu synthetisieren, welches beweist, dass Graphen-Nanostrukturen in ganz bestimmten Formen magnetische Eigenschaften aufweisen, die künftige spintronische Anwendungen erlauben könnten. Die Ergebnisse sind eben im renommierten Fachmagazin Nature Nanotechnology erschienen.

Graphen-Nanostrukturen (auch Nanographene genannt) können, je nach Form und Ausrichtung der Ränder, ganz unterschiedliche Eigenschaften besitzen - zum Beispiel...

Im Focus: How to induce magnetism in graphene

Graphene, a two-dimensional structure made of carbon, is a material with excellent mechanical, electronic and optical properties. However, it did not seem suitable for magnetic applications. Together with international partners, Empa researchers have now succeeded in synthesizing a unique nanographene predicted in the 1970s, which conclusively demonstrates that carbon in very specific forms has magnetic properties that could permit future spintronic applications. The results have just been published in the renowned journal Nature Nanotechnology.

Depending on the shape and orientation of their edges, graphene nanostructures (also known as nanographenes) can have very different properties – for example,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Analyse internationaler Finanzmärkte

10.12.2019 | Veranstaltungen

QURATOR 2020 – weltweit erste Konferenz für Kuratierungstechnologien

04.12.2019 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Arbeit

03.12.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Kein Seemannsgarn: Hochseeschifffahrt soll schadstoffärmer werden

11.12.2019 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Vernetzte Produktion in Echtzeit: Deutsch-schwedisches Testbed geht in die zweite Phase

11.12.2019 | Informationstechnologie

Verbesserte Architekturgläser durch Plasmabehandlung – Reinigung, Vorbehandlung & Haftungssteigerung

11.12.2019 | Architektur Bauwesen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics