Zweiphotonenuntersuchungen zur Rolle von Carotinoiden in der Regulation der Photosynthese

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.