Lichtsammelkomplexe

Licht hebt Elektronen an

Ein Pigment absorbiert ein Photon nur, wenn dessen Energie zu einem Energiesprung eines Elektrons im Molekül passt. Danach ist das Molekül für kurze Zeit angeregt.

Photon:Lichtquant mit der Energie \(E = \frac{h \cdot c}{\lambda}\) — je kürzer die Wellenlänge, desto energiereicher das Photon.
Grundzustand:Die Elektronen des Chlorophylls besetzen die energieärmsten Zustände (S₀).
Angeregter Zustand:Das absorbierte Photon hebt ein Elektron auf ein höheres Energieniveau (Singulett-Zustand S₁, bei blauem Licht S₂). Aus Chl wird Chl*.
Blau wie Rot:Aus S₂ fällt das Elektron in Bruchteilen einer Pikosekunde strahlungslos auf S₁ zurück, der Überschuss wird Wärme. Genutzt wird nur die Energie von S₁.
Rückkehr:S₁ hält nur Nanosekunden. Die Energie geht als Wärme, als Fluoreszenz (rotes Licht etwas größerer Wellenlänge), durch Weitergabe an ein Nachbarpigment oder im Reaktionszentrum durch Abgabe des Elektrons.

Herleitung:

\(E = \dfrac{h \cdot c}{\lambda}\)

| Photonenenergie

h = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s (Planck-Konstante), c = 2,998 · 10⁸ m/s (Lichtgeschwindigkeit).

\(E = \dfrac{6{,}626 \cdot 10^{-34}\,\text{J}\cdot\text{s} \cdot 2{,}998 \cdot 10^{8}\,\tfrac{\text{m}}{\text{s}}}{680 \cdot 10^{-9}\,\text{m}}\)

| λ = 680 nm einsetzen

680 nm ist das Absorptionsmaximum des Reaktionszentrums von Fotosystem II.

\(E \approx 2{,}92 \cdot 10^{-19}\,\text{J} \approx 1{,}82\,\text{eV}\)

| : 1,602 · 10⁻¹⁹ J/eV

So viel Energie trägt ein einzelnes Photon.

\(E_\text{mol} = N_A \cdot E \approx 6{,}022 \cdot 10^{23}\,\tfrac{1}{\text{mol}} \cdot 2{,}92 \cdot 10^{-19}\,\text{J} \approx 176\,\tfrac{\text{kJ}}{\text{mol}}\)

Ergebnis

Ein Mol Photonen bei 680 nm liefert rund 176 kJ — ein Vielfaches der Energie, die ein Mol ATP bei der Hydrolyse freisetzt.

Merke

Photonenenergie: \(E = \dfrac{h \cdot c}{\lambda}\) · 680 nm ≙ 1,82 eV je Photon ≙ 176 kJ je mol Photonen

Die Antenne als Trichter

Chlorophyllmoleküle arbeiten nicht einzeln. In der Thylakoidmembran bilden Hunderte von Pigmenten zusammen mit Proteinen ein Fotosystem.

Fotosystem:Lichtsammelkomplex (Antenne) plus Reaktionszentrum. Es gibt zwei Typen: Fotosystem II (PS II) und Fotosystem I (PS I).
Lichtsammelkomplex:einige Hundert Moleküle Chlorophyll a, Chlorophyll b und Carotinoide, fest an Proteine gebunden. Sie fangen Photonen ein, betreiben aber selbst keine Chemie.
Resonanzenergietransfer:Ein angeregtes Pigment überträgt seine Anregungsenergie strahlungslos auf ein dicht benachbartes Pigment. Es wandert Energie, kein Elektron.
Energietrichter:Die Energie fließt zu Pigmenten mit gleicher oder etwas geringerer Anregungsenergie, also längerwelliger Absorption: Carotinoide → Chl b → Chl a → Reaktionszentrum. Der Rest wird Wärme.
Reaktionszentrum:ein besonderes Chlorophyll-a-Paar, in PS II P680, in PS I P700 — die Zahl nennt das Absorptionsmaximum in nm.
Ladungstrennung:Das angeregte P680* gibt ein Elektron an den primären Akzeptor Phäophytin ab. Zurück bleibt P680⁺, ein sehr starkes Oxidationsmittel, das Elektronen aus Wasser holt.

Wähle ein Photon — ein Pigment leuchtet gelb auf. Ziehe die Anregung von Pigment zu Pigment bis ins Reaktionszentrum in der Mitte; mit der Tastatur wählst du den leuchtenden Punkt mit Tab an und springst mit ← ↑ → ↓ zum Nachbarn. Beobachte rechts die Energieniveaus.

Halte fest: In der Antenne wandert nur Anregungsenergie — und zwar stets zu Pigmenten mit gleicher oder geringerer Anregungsenergie. Erst im Reaktionszentrum verlässt ein Elektron sein Molekül und geht an den primären Akzeptor.

Allgemeine Hinweise

Energie wandert, nicht das Elektron

In der Antenne wird nur Anregungsenergie weitergereicht. Ein Elektron verlässt sein Molekül erst im Reaktionszentrum.

Die Zahl ist eine Wellenlänge

P680 und P700 sind keine Stoffnamen: Die Zahl nennt das Absorptionsmaximum in nm. Chemisch sind beide Chlorophyll-a-Paare.

Blaues Licht bringt nicht mehr

Ein blaues Photon hebt das Elektron höher, doch der Überschuss wird sofort Wärme. Im Reaktionszentrum kommt je Photon dieselbe Energie an wie bei rotem Licht.