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"Nanomaschinen"
   
         
16.03.05 - 13:37:28
   
       
   
         
photosyntheses 1, 2. • Michael Wagner
   
       
   
             
          photosyntheses_1    



Das Höhere Leben auf der Erde beruht ganz wesentlich auf der "Photosynthese".
`Sié liefert energiereiche Nahrung und, als Abfallprodukt, das Atemgas Sauerstoff.
Die Energie des Sonnenlichts führt im sogenannten Reaktionszentrum zum
Transport eines Elektrons. Dabei wird eine Spannung erzeugt, die letztlich zur
Produktion energiereicher Moleküle (Zucker und ATP) genutzt wird.
Dieser extrem schnelle Elektronentransport kann selbst mit modernster Elektronik
nicht verfolgt werden. Nur optische Methoden erlauben es, so schnelle Vorgänge
überhaupt sichtbar zu machen: Hintereinander treffen zwei ultrakurze Laserblitze
auf die Zelle, der erste löst die Reaktion aus, der zweite misst die Veränderungen.
Die Beobachtungen zeigen, dass bei der Photosynthese extrem schnelle,
Pikosekunden dauernde Reaktionen ablaufen. Ohne diese extrem hohen
Geschwindigkeiten wäre der erforderliche Wirkungsgrad nicht erreichbar. ...

... Die Photosynthese ist das Gebiet der Biologie, das die Physiker besonders
intensiv bearbeitet haben. Dies gilt vor allem für den primären Prozess:
die photophysikalische Spaltung von Wasser in Sauerstoff, Elektronen und Protonen
sowie die anschließende Speicherung einerseits der Protonen in Form elektrischer
und chemischer Potentiale und andererseits der Elektronen durch Transfer auf
sogenannte elektroaffine Farbstoffe. Die Natur musste dabei drei verschiedene
physikalische Probleme lösen:
1. vom Sonnenlicht den sichtbaren und infraroten Spektralbereich einfangen,
und sei es auch im dunkelsten Tümpel oder am Urwaldboden;
2. die Elektronen und Protonen unumkehrbar voneinander trennen;
3. die Elektronen, die in Wasser chemisch instabil sind, für längere Zeit speichern.
Das erste Problem wurde durch raffiniert aufgebaute Aggregate aus Proteinen und
Farbstoffen wie Chlorophyll in den sogenannten Antennenkomplexen gelöst.
Diese fangen das Licht ein und leiten die gewonnene Anregungsenergie längs
geschickt angeordneter Farbstoffmoleküle mit abgestuften Energiezuständen
wie auf einer Energieleiter zu dem eigentlichen Photosyntheseapparat weiter,
dem Reaktionszentrum. Dort wird die Energie von einem sandwichartigen
Komplex aus Chlorophyllmolekülen aufgenommen und zur Abspaltung eines
Elektrons von diesem Komplex genutzt. Anschließend wird das Elektron sukzessive
längs einer Kette von Farbstoffmolekülen bis zu einem Elektronenspeicher
transportiert. Das zweite Problem, den irreversiblen Transfer des Elektrons,
löst die Natur also dadurch, dass das Elektron in der extrem kurzen Zeit von einer
billionstel Sekunde von Molekül zu Molekül springt. Die Lösung des dritten
Problems besteht darin, dass das Reaktionszentrum in die Zellmembran
eingebaut ist. Auf diese Weise können Elektronen und Protonen,
durch die Membran voneinander getrennt, gespeichert werden.
Durch diese gerichtete Ladungstrennung wird die Energie in Form von
elektrochemischer Trennungsenergie gespeichert. ...

... Das Sonnenlicht einfangen und seine Energie in großem Stil verwerten -
an dieser Aufgabe mühen sich Wissenschaftler und Techniker weltweit.
Die Natur hat das Problem längst gelöst. Ein urtümliches Bakterium entwickelte
wohl die einfachste molekulare Maschine, die Lichtenergie nutzbar macht.
Dieser Mikroorganismus, Halobacterium salinarum, fühlt sich in Salzseen wohl.
Er verleiht solchen Gewässern eine purpurne Färbung. Was hier rötlich schimmert,
ist der Farbstoff Bakteriorhodopsin. Dieses Molekül ist eng verwandt mit dem
Sehpurpur in den Zellen unserer Netzhaut. Doch sehen können die Bakterien
damit nicht - sie nutzen das farbige Molekül als Energiewandler.

Prof. Georg Büldt, Leiter des Teilinstituts für Biologische Strukturforschung
am Institut für Biologische Informationsverarbeitung (IBI) des Forschungszentrums
Jülich, erläutert, was es damit auf sich hat: "Trifft ein Photon,
also ein Lichtteilchen, auf eines der in Membranen dicht gepackten
Bakteriorhodopsin-Moleküle, wird ein Teil dieser Lichtenergie in Bewegung
von Ladungsträgern umgesetzt. Der Farbstoff ist eine Art Maschine,
die bei Belichtung positiv geladene Wasserstoff-Ionen - auch Protonen genannt -
aus dem Zellinneren durch die Plasma- membran pumpt."
Das Molekül verliert dabei seine purpurrote Farbe und geht in eine gelbe Form
über. Diese wird als M-Zustand bezeichnet. Hat das Bakteriorhodopsin schließlich
ein Proton nach außen abgegeben, greift es sich erneut eines aus dem Zellinneren
und wird wieder purpurfarbig - das Spiel beginnt von vorn. ...

... Durch die Beförderung von positiv geladenen Teilchen nach außen baut sich
an der Plasmamembran eine elektrische Spannung auf. Gleichzeitig entsteht ein
chemischer Gradient, also ein Gefälle zwischen vielen Protonen an der Außenseite
und relativ wenigen an der Innenseite. Strömen die Wasserstoff-Ionen später
"bergabwärts" wieder in die Zelle ein, wird die so gespeicherte Energie verfügbar.
Wie das aus einem Stausee strömende Wasser die Turbinen eines Kraftwerks
antreibt, wird das Protonen-gefälle dabei von anderen Membranmolekülen
zum Aufbau von Adenosintriphosphat - kurz ATP - genutzt. ATP ist die gängige
Energie-"Währung" der Zelle und kann überall dort ausgegeben werden,
wo der Organismus gerade biologische Arbeit leistet. Für die Entdeckung dieses
allgemeinen Prinzips der Energieumwandlung erhielt der britische Biochemiker
Peter Mitchell 1978 den Nobelpreis.

Das Bakteriorhodopsin ist also eine Protonenpumpe,
die - mit Lichtenergie betrieben - ein solches Gefälle aufbaut.
Die winzige "Maschine" besteht aus zwei Bauteilen:
einem Eiweißmolekül und dem hieran gekoppelten Farbstoff Retinal. ...


http://www.weltderphysik.de/themen/mehr/biologie/nanomaschinen/index.html



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