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Entwicklung eines Step-Scan FTIR-Experiments zur Untersuchung der lichtinduzierten Wasserspaltung der oxygenen Photosynthese

Süss, Björn - Freie Universität Berlin (2011)


Das Photosystem II (PSII) ist ein zentraler Bestandteil der Photosynthese, welche wiederum direkt oder indirekt Grundlage für die meisten Lebensformen auf der Erde ist. Die Infrarotspektroskopie kann detaillierte Informationen sowohl über die Struktur als auch über die Kinetiken der photoaktivierten Reaktionen am PSII liefern.

Von besonderem Interesse sind daher zeitaufgelöste FTIR (Fourier-Transformations-Infrarot-) Messungen. Der sogenannten Step-Scan Modus liefert dabei die beste Zeitauflösung, da diese hier lediglich durch die Detektorelektronik begrenzt ist. Allerdings benötigt man eine enorm hohe Anzahl von Proben für ein komplettes, zeitaufgelöstes Infrarotspektrum mit akzeptablem Signal-Rausch-Verhältnis. Da das PSII aber nicht mehrfach für Messungen genutzt werden kann, muss die Herstellung mehrerer 10000 gleichartiger Proben gewährleistet sein. Bisher wurde in der Literatur nicht von solchen Messungen berichtet. In der hier vorliegenden Arbeit wurde ein Aufbau für Step-Scan FTIR Messungen konstruiert und erste zeitaufgelöste Messungen des katalytischen Zyklus durchgeführt. Die wichtigsten Ergebnisse, die erzielt wurden, sind folgende: (1) Etablieren einer zuverlässigen Probenpräparationstechnik und Messmethodik. (2) Konstruktion eines Probenwechslers, der das Vermessen von etwa 4000 Proben pro Tag ermöglicht. (3) Konstruktion eines automatischen Probenerstellers. Dieser ermöglicht die schnelle Herstellung sehr homogener Proben mit klar definierter Absorption. (4) Erstellen einer Steuerungssoftware für die Automatisierung der Messungen. (5) Messungen stationärer Zustände des katalytischen Zyklus mit sehr hohem Signal-Rausch-Verhältnis. Dabei wurde ein sehr kleiner Missparameter erreicht und Literaturspektren sehr gut reproduziert. (6) Rapid-Scan Messungen an Mangan freien Proben, die ebenfalls Literaturdaten sehr gut reproduzieren und sichere Bandenzuordnungen ermöglichen. (7) Erste Step-Scan Messungen am PSII mit 61596 Einzelmessungen mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis . (8) Entwicklung einer Auswertungssoftware, die durch umfangreiche Korrektur- und Auswahlverfahren das Signal-Rausch-Verhältnis noch weiter verbessert. (8) Globale Simulation der spektralen Zeitverläufe. Diese ermöglichte die Zuordnung vieler Banden zu den stationären Messungen an manganhaltigen und -freien Proben. (9) Die Änderung der Koordination des Hydrogencarbonats - einem Liganden des Nicht-Häm-Eisens der Akzeptorseite - von einer zweizähnigen zu einer einzähnigen Bindung konnte bestätigt werden. (10) Tyrosinbanden konnten zum ersten mal an intakten Photosystemen detektiert werden. Diese Arbeit belegt somit zum einen die Funktionstüchtigkeit und Anwendungsmöglichkeiten des Aufbaus; zum anderen sind die hier gezeigten Step-Scan Messungen die ersten, die für das wasseroxidierende PSII berichtet wurden.


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