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Künstliche lichtgetriebene Protonenpumpe


Was die Nutzung der Sonnenenergie angeht, ist die Natur dem Menschen immer noch weit voraus. Keine Solarzelle erreicht auch nur annähernd den Wirkungsgrad, mit dem Pflanzen Lichtenergie umwandeln. Kein Wunder also, daß sich Wissenschaftler der verschiedensten Disziplinen von der Biophysik bis zur supramolekularen organischen Chemie intensiv darum bemühen, den biologischen Prozeß nachzuahmen und technisch nutzbar zu machen. Der Weg dahin ist sicherlich noch sehr weit, doch gab es in den vergangenen Jahren immerhin erste bescheidene Erfolge. So konnten komplizierte Molekülkomplexe konstruiert werden, deren Bestrahlung eine Trennung elektrischer Ladungen bewirkt.

Ein weiterer beachtlicher Schritt voran ist nun Thomas A. Moore und seinen Mitarbeitern an der Staatsuniversität von Arizona in Tempe gelungen ("Nature", Band 385, Seiten 239 bis 241). Sie vermochten ein vollständig künstliches System zu konstruieren, das Licht dazu nutzt, Protonen durch eine Membran hindurch zu transportieren; durch den Aufbau eines Protonengradienten wandelt es somit Strahlungs- in chemische Energie um.

Der gleiche Vorgang läuft unter anderem im Reaktionszentrum des Purpurbakteriums Rhodopseudomonas viridis ab, dessen Struktur Robert Huber, Hartmut Michel und Johann Deisenhofer Anfang der achtziger Jahre aufgeklärt haben (wofür sie 1988 den Nobelpreis für Chemie erhielten). Moore und seine Mitarbeiter orientierten sich denn auch stark an diesem natürlichen Vorbild. Die Zellen ersetzten sie durch einfache Vesikel (Bläschen), die von einer Lipidmembran umschlossen waren und etwa 100 Nanometer (millionstel Millimeter) Durchmesser hatten. Als synthetisches Reaktionszentrum diente ein kompliziertes organisches Molekül, das im wesentlichen aus einem Carotinoid (C), einem Porphyrin (P) und einem Chinon (Q) besteht. Wenn man es der Lösung mit den Lipidvesikeln zusetzt, lagert es sich derart in die Membran ein, daß das relativ polare Chinon an der Außenseite bleibt. Ein externes, frei bewegliches Chinon (Qs) fungierte als Pendelbus für die Protonen, und ein pH-Indikator (Pyranin) zeigte die Ankunft der Protonen im Innern der Vesikel an.

Und so funktioniert die künstliche lichtgetriebene Protonenpumpe. Beim Bestrahlen des Dreierkomplexes wird das Porphyrin durch Absorption der Photonen angeregt und induziert daraufhin die Wanderung eines Elektrons vom Carotinoid zum Chinon; das entstehende zwitterionische Gebilde C+-P-Q- läßt sich spektroskopisch nachweisen. In den meisten Fällen kehrt das Elektron nach kurzer Zeit wieder zum Carotinoid zurück, ohne daß etwas geschieht. Befindet sich jedoch zufällig ein frei bewegliches Pendelbus-Molekül Qs nahe genug an dem negativ geladenen Chinon auf der Membranaußenseite, kann es dessen Elektron übernehmen. Unter Anlagerung eines Protons aus der wäßrigen Umgebung wandelt es sich dabei in ein sogenanntes Semichinon um. Dieses kann nun durch die Membran diffundieren und auf der Innenseite sein Elektron an das positiv geladene Carotinoid C+ abgeben, so daß der ursprüngliche Zustand des Dreierkomplexes wiederhergestellt ist. Zugleich entläßt Qs das angelagerte Proton.

Im Experiment banden sich die im Inneren freigesetzten Protonen an die Moleküle des pH-Indikators. Da sich deren Anregungsspektrum dadurch meßbar änderte, konnten sie gleichsam als Protonenzähler dienen. Auf diese Weise stellten die Forscher fest, daß für den Transport eines einzigen Protons 250 Photonen absorbiert werden mußten.

Es wäre unfair, diese magere Quantenausbeute von 0,004 mit der des natürlichen Vorbilds vergleichen zu wollen, denn letzteres ist um Größenordnungen komplexer; es enthält allein 14 Cofaktoren, darunter auch Porphyrine, Carotinoide und Chinone, die als Lichtsammler und Energieleitbahnen wirken. Das photosynthetische Reaktionszentrum selbst besteht aus einem riesigen, die Zellmembran überspannenden Proteinkomplex mit vier Untereinheiten. Auch hier übernimmt ein Chinon als Bestandteil des Proteins Cytochrom c2 die Elektronen, die als Reaktion auf die Bestrahlung verschoben werden, und lagert Protonen an. Im Unterschied zum künstlichen System transportiert es sie allerdings von innen nach außen und gleich paarweise durch die Membran.

Das Modellsystem ist zweifellos noch weit von jeglicher praktischen Anwendung entfernt. Es demonstriert jedoch, daß sich der natürliche Vorgang sehr wohl künstlich nachahmen läßt. Da es sich nach jedem Reaktionszyklus vollständig regeneriert, könnte man es zudem leicht mit Reaktionen koppeln, die – wiederum nach natürlichem Vorbild – den Protonengradienten dazu nutzen, energiereiche chemische Verbindungen aufzubauen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 1997, Seite 16
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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