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    Spektroskopische Untersuchungen an einzelnen Photosystem I-Komplexen aus Cyanobakterien
    (2007) Elli, Alexandra F.; Wrachtrup, Jörg (Prof. Dr.)
    Im Rahmen dieser Dissertation wurden die roten Chlorophyllpools in Photosystem I (PSI) der Cyanobakterien Thermosynechococcus elongatus (TS. elongatus) und Arthrospira platensis (A. platensis) einzelmolekülspektroskopisch mit Hilfe eines konfokalen Laserscanningmikroskops untersucht. Neben der Untersuchung der spektralen Eigenschaften der roten Chlorophylle in PSI, wurde das photophysikalische Verhalten der roten Chlorophylle untersucht und eine mögliche Zuordnung der roten Chlorophyllpools zu den Antennen-Chlorophyllen in PSI aus TS. elongatus durchgeführt. Fluoreszenzemissionsspektren von PSI aus TS. elongatus auf Einzelmolekülebene weisen im Gegensatz zu Bulkspektren, in denen nur eine einzige Fluoreszenzemissionsbande bei 730 nm detektiert wird, drei Fluoreszenzemissionsbanden zwischen 706 nm und 715 nm, 720 nm und 735 nm und zwischen 736 nm und 751 nm auf. Einzelmolekül-Fluoreszenzemissionsspektren zeigen, dass neben dem roten Chlorophyllpool Chl719 auch der rote Chlorophyllpool Chl708 fluoresziert. Die Fluoreszenzbande zwischen 736 nm und 751 nm ist aufgrund der dominanten Bande von Chl719 im Bulkspektrum nicht zu erkennen. PSI aus A. platensis besitzt im Ensemble zwei Fluoreszenzemissionsbanden bei 725 nm und 760 nm, deren Fluoreszenzintensität eine unterschiedliche Abhängigkeit von der Anregungsleistung zeigt. Diese Abhängigkeit kann durch ein einfaches Modell erklärt werden, das auf den Ratengleichungen der beteiligten Chlorophyllpools und ihrer elektronischen Zustände basiert. Photophysikalische Parameter wie die Intersystem Crossing Raten der roten Chlorophyllpools in PSI aus TS. elongatus konnten mittels Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie ermittelt werden. Chlorophylle können mit einem Dreiniveauschema beschrieben werden, das aus einem Singulett-Grundzustand, dem ersten angeregten Singulettzustand und dem metastabilen Triplettzustand besteht. Diese Zustände sind über die Übergangsraten ki miteinander verbunden. Bei kontinuierlicher Beleuchtung zeigt die Fluoreszenzemission der einzelnen Moleküle Unterbrechungen im Fluoreszenzsignal, die durch Intersystem Crossing Übergänge hervorgerufen werden. Solche Fluktuationen der Fluoreszenzintensität können mit Hilfe einer Fluoreszenzintensitätskorrelationsfunktion zweiten Grades analysiert und anschließend mit einem monoexponentiellen Zerfall gefittet werden. Die Zerfallsrate wurde für mehrere Anregungsleistungen bestimmt. Aus dieser Abhängigkeit kann die Populationsrate k23 und die Depopulationsrate k31 des Triplettzustands ermittelt werden. Im Vergleich zu Chlorophyll a in Lösung ist die Populationsrate k23 der roten Chlorophyllpools mit ungefähr 5,85 MHz stark verringert, wohingegen die Depopulationsrate k31 stark erhöht ist. Durch den Einbau der Chlorophylle in eine Proteinmatrix wird die Bildung des Triplettzustands der Chlorophylle somit verringert. Die Vermeidung des Triplettzustands ist essentiell für den photosynthetischen Organismus, da eine Bildung von Singulett-Sauerstoff verringert wird, welcher extrem schädlich für organische Moleküle ist. Eine Fluoreszenzpolarisationsanalyse der einzelnen Banden ermöglicht die Zuordnung der roten Chlorophyllpools zu Antennen-Chlorophyllen in PSI aus TS. elongatus, da die Orientierung der roten Chlorophyllpools durch die Lage der Übergangsdipolmomente bestimmt ist. Die Fluoreszenzemission verschiedener Chlorophyllpools in PSI wurde mittels eines Polarisators, der vor dem Spektrometer installiert war, auf lineare Polarisation untersucht. Linear polarisiertes Fluoreszenzlicht kann von einem einzelnen Emitter, von mehreren stark gekoppelten Emittern, die ein neues Quantensystem bilden, oder von mehreren Emittern, die kollinear zueinander ausgerichtet sind, erzeugt werden. Die Fluoreszenzintensitätsmodulation als Folge linearer Polarisation hat eine cos2-Abhängigkeit bei Rotation des Polarisators und kann nach Integration der einzelnen Banden mit einer cos2-Funktion gefittet werden. Aufgrund der Tatsache, dass die PSI-Komplexe isotrop in der Probe vorliegen, liefert eine einzelne Messung der Fluoreszenzmodulation einer Bande keine eindeutige Orientierung. Eine statistische Analyse der relativen Orientierung von zwei Fluoreszenzbanden ist notwendig, um eine eindeutige Orientierung, gegeben durch den Winkel zwischen zwei roten Chlorophyllpools, zu erhalten. Simulationen und eine anschließende Analyse der relativen Orientierungen von zwei Übergangsdipolmomenten von isotrop verteilten PSI-Komplexen zeigen, dass eine Bestimmung der Orientierung in dieser Art und Weise möglich ist. Durch die Berechnung der Phasenverschiebung zweier Fluoreszenzbanden und anschließendem Vergleich dieser Werte mit Literaturdaten, konnten mögliche Kandidaten für die roten Chlorophyllpools Chl708 und Chl719 in der Antenne gefunden werden. Chl708 besteht demnach aus dem Chlorophyll B11 und dem Trimer A2-A3-A4, Chl719 aus den Chlorophyllen A31-A32-B06-B07.