Pigment-Pigment Interactions and Protein Dynamics in Light-Harvesting Complexes: a Single-Molecule Study

Pigment-Pigment-Wechselwirkungen und Proteindynamiken in Lichtsammelkomplexen: eine Einzelmolekülstudie

Light harvesting complexes that are involved in the first steps of photosynthesis in purple bacteria were studied with low-temperature optical single molecule spectroscopy. In one series of experiments the spectral properties of the bacteriochlorophyll a molecules within the complexes were studied in the view of model systems of molecular aggregates. It was found that the excitations in the B800 band of the light harvesting 2 complex are mainly localised on individual chromophores although evideLight harvesting complexes that are involved in the first steps of photosynthesis in purple bacteria were studied with low-temperature optical single molecule spectroscopy. In one series of experiments the spectral properties of the bacteriochlorophyll a molecules within the complexes were studied in the view of model systems of molecular aggregates. It was found that the excitations in the B800 band of the light harvesting 2 complex are mainly localised on individual chromophores although evidence was found for an electronic coupling in the weak to intermediate range between individual bacteriochlorophyll a molecules. In contrast, for the B850 band of the light harvesting complex 2 as well as for the B870 band of the light harvesting complex 1 it was found that the assembly of bacteriochlorophyll molecules represents a strongly coupled system and that the excitation is coherently delocalised over a substantial part of the chromophores. By performing Monte-Carlo simulation an estimate on the amount of random and correlated energetic disorder in the site energies of the chromophores as well as on structural properties of the complexes could be given. In experiments on individual LH2-LH1-RC complexes, the energy transfer within a single photosynthetic unit was observed. In further experiments the chromophores were used as local probes to monitor conformational fluctuations of the protein residues in their binding pocket. Looking at the spectral diffusion of individual chromophores allowed to elucidate the organisation of the protein-energy landscape in tiers. In addition a clear correlation for the transition rates between those states and the energy separation of the levels involved could be uncovered. To simplify and automatise the analysis of a large number of consecutively recorded spectra a pattern recognition approach using multivariate statistical analysis proved to be a very useful tool. Apart from elucidating spectral diffusion processes detailed information about the line shape of individual chromophore absorptions could be gained from which it was inferred that the electron-phonon coupling in the B800 pigment pool is very weak. In summary, this thesis demonstrates that low-temperature single-molecule spectroscopy provides a unique method to reveal details of pigment-pigment interactions in the weak to intermediate as well as strong coupling limit that are inaccessible by other experimental methods.show moreshow less
In dieser Arbeit wurden so genannte Lichtsammelkomplexe (light-harvesting complexes, LH) aus dem Photosyntheseapparat von Purpurbakterien mittels tieftemperatur Einzelmolekülspektroskopie untersucht. In einer Reihe von Experimenten wurden die spektralen Eigenschaften der Bacteriochlorophyll a Moleküle in den Komplexen aus der Sicht von molekularen Aggregaten untersucht. Die B800 Pigmentgruppe des Lichtsammelkomplexes 2 zeichnet sich durch eine schwache bis mittelstarke elektronische WechselwirkuIn dieser Arbeit wurden so genannte Lichtsammelkomplexe (light-harvesting complexes, LH) aus dem Photosyntheseapparat von Purpurbakterien mittels tieftemperatur Einzelmolekülspektroskopie untersucht. In einer Reihe von Experimenten wurden die spektralen Eigenschaften der Bacteriochlorophyll a Moleküle in den Komplexen aus der Sicht von molekularen Aggregaten untersucht. Die B800 Pigmentgruppe des Lichtsammelkomplexes 2 zeichnet sich durch eine schwache bis mittelstarke elektronische Wechselwirkung aus, wodurch die Anregungen der BChl a Pigmente hauptsächlich auf einzelnen Molekülen lokalisiert sind. Im Gegensatz dazu konnte bestätigt werden, daß die B850 Pigmentgruppe des LH1 und die B875 Bande des LH1 stark gekoppelte Systeme darstellen deren angeregte Zustände bei tiefen Temperaturen als kollektive Anregungen, so genannte Frenkel-Exzitonen, beschrieben werden können. Durch Vergleich der experimentellen Resultate mit Monte-Carlo Simulationen konnte eine Abschätzung für die Beiträge von willkürlicher und korrelierter elektronischer Unordnung so wie für strukturelle Deformationen gegeben werden. In Experimenten an einzelnen LH2-LH1-RC Komplexen wurde der Energieübertrag innerhalb einer individuellen Photosynthetischen Einheit beobachtet. In weiteren Experimenten wurden die CHromophore als lokale Sonden benutzt, um Konformationsänderungen der Proteinresiduen in ihrer Bindungstasche zu detektieren. In Bezug auf den energetischen Abstand der korreliert diffundierenden Linien und die zugehörigen Zeitskalen wurden drei verschiedene Arten von spektraler Diffusion beobachtet, die dem Vorhandensein von mindestens drei eindeutig ausgeprägten Stufen in der hierarchisch organisierten Energielandschaft der Proteine in den Bindungstaschen der B800 BChl a Moleküle zugeschrieben wurden. Um die Auswertung einer großen Anzahl von sequentiell aufgenommenen Spektren zu vereinfachen und zu automatisieren, wurde eine Vorgehensweise mittels Mustererkennung eingeführt, welche mit Hilfe der multivariaten statistischen Analyse Gruppen von ähnlichen Spektren in Klassen sortiert. Mit Hilfe dieser Methode konnten spektrale Diffusionsprozesse sowie die genaue Linienform der BChl a Absorptionen untersucht werden. Die Resultat des Analysen weisen dabei auf eine sehr schwache Elektron-Phonon-Kopplung im B800 Ring hin. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, daß die tieftemperatur EInzelmolekülspektroskopie eine einzigartige Methode darstellt, um Details der Pigment-Pigment Wechselwirkungen sowohl in schwachen bis mittelstarken als auch im stark gekoppelten Systemen zu untersuchen, die bei anderen Methoden verborgen bleiben.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Physik
Author: Clemens Hofmann
Advisor:Prof. Dr. Jürgen Köhler
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik
Date of final exam:24.05.2004
Year of Completion:2004
SWD-Keyword:Einzelmolekülspektroskopie; Frenkel-Exziton; Licht-Sammel-Komplex; Photosyntheseapparat
Tag:Molekulares Aggregat; Protein Energielandschaft
light-harvesting complex; molecular aggregate; photosynthesis; protein energy landscape; single-molecule spectroscopy
Dewey Decimal Classification:530 Physik
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-925
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):01.07.2004