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The Structure of the RC-LH1 Complex from Rps. acidophila: Optical Single-Molecule Spectroscopy and Numerical Simulations

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Böhm, Paul S.:
The Structure of the RC-LH1 Complex from Rps. acidophila: Optical Single-Molecule Spectroscopy and Numerical Simulations.
Bayreuth , 2015 . - VI, 163 p.
( Doctoral thesis, 2015 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract in another language

The topic of this thesis was the investigation of the specific arrangement of the bacteriochlorophyll (BChl) a molecules in the light-harvesting 1 (LH1) complex from Rhodopseudomonas (Rps.) acidophila. In purple bacteria the LH1 complex forms an interconnected unit with a reaction-center (RC) complex, where the LH1 complex directly surrounds the RC to form the so called RC-LH1 core complex. As part of a cyclic electron transport pathway in bacterial photosynthesis, reduced ubiquinone molecules, Q_B H_2, have to leave the RC and pass through the LH1 complex into the membrane space. By now, it is well established that for some purple bacterial species the LH1 complex has a gap, presumably to facilitate the shuttling of Q_B H_2, whereas for other species, with a completely closed LH1 ring, channels in the LH1 aggregate might enable the transfer of Q_B H_2. Before this work, it was not known to which of these two types of RC-LH1 complexes (interrupted vs. closed LH1 ring), the RC-LH1 complex from Rps. acidophila belonged, let alone an idea of the exact arrangement of the BChl a molecules in the LH1 aggregate. In the following a short summary of the results achieved in this thesis will be presented.

In a first series of experiments the RC-LH1 complex from Rps. acidophila was revisited for single-molecule spectroscopy. Thereby, the pigment-protein complexes were stabilized in the relatively mild, non-denaturating detergent dodecyl-β-D-maltoside (DDM), instead of the more deactivating detergent lauryldimethylamine N-oxide (LDAO) which was used in a previous study. In total, low-temperature (1.2 K) fluorescence-excitation spectra have been recorded from 61 individual RC-LH1 complexes stabilized in DDM, in comparison to only 24 complexes measured in the precursor study. According to their spectral characteristics, the complexes were either considered as intact or broken. The fraction of broken (dissociated) RC-LH1 complexes could be reduced significantly by using DDM instead of LDAO as detergent, namely from 37.5% in the precursor work to 11.5% in this thesis. Due to the enhanced quality of the stock solution, it was possible to perform polarization-resolved fluorescence-excitation spectroscopy, and to determine the distributions of the spectral properties for the intact RC-LH1 complexes with an improved statistics. Both these distributions and characteristic spectral features, such as a narrow line occurring on the red end of the spectra for most of the complexes, show a remarkable resemblance with the data obtained on RC-LH1 complexes from Rps. palustris in an earlier study. For the Rps. palustris RC-LH1 complex a low-resolution crystal structure is available. Hence, taking also the aforementioned similarity of the spectral characteristics into account, it is concluded that the LH1 complexes from Rps. acidophila and Rps. palustris can be described by the same structural model, namely an elliptical arrangement of BChl a molecules interrupted by a gap. Thus, by successfully applying low-temperature single-molecule spectroscopy as a tool for structural investigation, it was revealed for the first time that the RC-LH1 complex from Rps. acidophila rather belongs to the RC-LH1 complexes with an interrupted LH1 aggregate, than to those with a completely closed LH1 ring.

In a second experimental series the influence of the environment on the spectra of the RC-LH1 complexes from Rps. acidophila was investigated. Thereby, the complexes were stabilized in detergent (DDM) buffer solution and reconstituted into a phospholipid bilayer, and the results were compared with the outcome of the first experimental series (vide supra), conducted on DDM stabilized RC-LH1 immobilized in a polyvinyl alcohol (PVA) matrix (DDM/PVA). The aim of these experiments was to test whether the immobilization of the RC-LH1 complexes in PVA might lead to a deformation of the LH1 structure, thereby limiting the significance of the results obtained from optical spectroscopy.
In ensemble absorption and fluorescence-excitation spectra, spectral shifts were observed both as a function of the matrix as well as, as a function of temperature. Regarding the latter, varying spectral shifts were observed in the three environments upon cooling the sample. This could be explained consistently with an increase of the local pressure exerted on the complexes in the lipid bilayer and the DDM buffer solution, whereas for DDM/PVA a decrease of the local pressure is conceivable, since, due to a negative thermal expansion coefficient for thin polymer films below the glass transition temperature, an expansion rather than a contraction of the PVA-film is expected upon temperature reduction. In low-temperature single-molecule measurements it was found that the complexes dissolved in DDM buffer solution, without stabilization in a PVA matrix, are subjected to fast spectral dynamics preventing the extraction of meaningful data from single-molecule spectroscopy. Furthermore, for the complexes reconstituted into a lipid bilayer it was revealed that the reconstitution process results in a significantly larger fraction of broken complexes with respect to the preparation of the complexes in a PVA film. However, it was also found that for the intact complexes the statistics of the key spectral features, such as the spectral separation of the bands and the mutual orientation of their transition-dipole moments, show no difference as a function of using either a lipid bilayer or PVA as a matrix. Given the additional effort involved in the reconstitution process, the lower amount of intact RC-LH1 complexes, and, concerning the decisive spectral details, the identical results with respect to embedding the complexes in a PVA matrix, led to the conclusion that the immobilization of these pigment-protein complexes in a PVA matrix is a good choice for conducting low-temperature experiments on individual light-harvesting complexes.

Next, the statistical distributions of the spectral features from the intact RC-LH1 complexes were compared with the corresponding data from numerical simulations of various LH1 model structures. Thereby, it was sought to learn more about the specific arrangement of the BChl a molecules in the LH1 complex from Rps. acidophila. All proposed LH1 model structures were within the resolution limit of the Rps. palustris RC-LH1 crystal structure and consequently all models had a gap in their BChl a arrangement. In comparison to an earlier simulation study on the RC-LH1 complex from Rps. palustris, more realistic simulation parameters were applied in this thesis, both with respect to the structural buildup of the LH1 models and regarding the coupling strength between the pigments.
Initially three different LH1 model structures were tested. In two of these models fixed BChl a dimer units were placed equidistantly on an ellipse or a rectangle with rounded corners, whereas in the third model the placement of the BChl a molecules was equivalent to the irregular arrangement of the pigments in the Rps. palustris crystal structure. As a first result of the significantly increased interaction strengths in the simulations of this work, the site energy of the pigments in all proposed LH1 models adopts plausible values. However, it was also found that none of the three initial structures is able to reproduce the experimental distributions of the spectral features of the RC-LH1 complexes from Rps. acidophila. A careful analysis of the localization patterns of the LH1 exciton states revealed that the two lowest exciton states, k=1 and k=2, each localize in characteristic areas of the LH1 aggregates, where the values for the nearest-neighbor interactions between the pigments are significantly increased. With this knowledge it was possible, by slightly rearranging only four dimer units in one of the regular LH1 models (rectangle with rounded corners), to create a new LH1 model whose spectral properties are in satisfying agreement with the experimental single-molecule data. The structural modifications were inspired by the RC-LH1 palustris crystal structure and it could be argued that they are due to specific interactions between the RC and the LH1 complex. The final LH1 model clearly outperforms the refined Rps. palustris LH1 model introduced in an earlier study, since for the present model both more realistic simulation parameters were applied and it shows a much better structural overlap with the Rps. palustris RC-LH1 crystal structure.
However, it has to be noted that in the only high-resolution crystal structure available for a RC-LH1 complex so far, no evidence can be found for the specific modifications performed on the regular LH1 structure. Additionally, it should be clear that similar structural modifications, as the one described above, can also lead to a LH1 model within the resolution of the palustris x-ray structure, being able to reproduce the experimental spectra. Therefore, it will not be claimed that in the final LH1 model the `one and only' structural solution for the LH1 complex from Rps. acidophila has been found, but it was shown how, in the limits of a rather simple simulation approach (Heitler-London approximation and dipole-dipole interaction between the pigments), a LH1 model with a regular placement of the pigments can be modified, to achieve a satisfying reproduction of the experimental distributions of the spectral features. Consequently, the more important result of this part is, that in excitonic systems which are dominated by the modulation of the nearest-neighbor interaction rather than by the diagonal disorder, the two lowest exciton states localize in specific areas of the LH1 aggregates, coinciding with the maxima of the nearest-neighbor interaction. This finding might be of general interest for any strongly coupled pigment array.

Finally, triggered by a recent work on LH2 complexes from Rps. acidophila, a careful reinspection of the spectra from the individual RC-LH1 complexes considered as intact, revealed that, instead of the narrow line on the low-energy end of the spectra, a broad low-intensity band, occurring red-shifted with respect to the narrow line, might represent the lowest exciton state, k=1, of the LH1 complexes. In future work this new interpretation could be tested, by acquiring fluorescence-excitation and emission spectra from the same individual RC-LH1 complexes. According to the work on LH2, in these spectra the criterion for the identification of the lowest exciton state should be, that the emission spectrum has to emerge directly from the spectral region of the lowest exciton state in the excitation spectrum. Referring to the numerical simulations from the previous part, it is argued that not the long excited state lifetime of the k=1 exciton state in comparison to the higher exciton states might be responsible for the characteristic narrow line in the RC-LH1 fluorescence-excitation spectra, but the localization of the k=1 and k=2 exciton states on opposite sides of the LH1 aggregate. This would affect the relaxation of the k=2 state, now attributed to the narrow line, to k=1, as the rate for this process is amongst others determined by the spatial overlap between the corresponding exciton wavefunctions. Accordingly, due to the negligible overlap between the k=2 and k=1 exciton wavefunctions, it might be, that the narrow line reflects the comparatively slow relaxation of the k=2 state to k=1. In contrast, much more extended spatial overlaps with the k=1 exciton wavefunction were found for the higher exciton states (k≥3), making a fast relaxation to k=1 plausible and explaining the broad bands observed for these states in the excitation spectra.
If this new interpretation of the spectral characteristics turns out to be true, on the one hand this would prove the necessity of acquiring, at the same time, fluorescence-excitation and emission spectra from individual LH complexes to ensure the completeness of the excitation spectra for these complexes. On the other hand, this would call for a reinterpretation of the spectra not only from the preceding parts of this work, but also from previous single-molecule studies on RC-LH1 complexes.

Abstract in another language

Das Thema dieser Arbeit war die Untersuchung der spezifischen Anordnung der Bakteriochlorophyll BChl a Moleküle im Lichtsammelkomplex 1 (LH1) von Rhodopseudomonas (Rps.) acidophila. Bei den Purpurbakterien bildet der LH1 Komplex zusammen mit einem Reaktionszentrum (RC) eine geschlossene Einheit, wobei der LH1 Komplex das RC direkt umschließt. Dieses Gesamtkonstrukt ist dann als RC-LH1 Kernkomplex bekannt. Im Rahmen eines zyklischen Elektronentransportes innerhalb der bakteriellen Photosynthese müssen reduzierte Ubiquinon Moleküle, Q_B H_2, das RC verlassen und, durch den LH1 Komplex hindurch, in die Membranumgebung diffundieren. Inzwischen ist allgemein bekannt, dass der LH1 Komplex bei manchen Purpurbakterienarten eine Lücke aufweist, mutmaßlich um den Transfer von Q_B H_2 zu ermöglichen, wohingegen für andere Arten, mit einem komplett geschlossenen LH1 Ring, Kanäle innerhalb des LH1 Komplexes den Durchtritt von Q_B H_2 ermöglichen könnten. Vor dieser Arbeit war nicht bekannt zu welcher dieser beiden Klassen von RC-LH1 Komplexen (unterbrochener vs. geschlossener LH1 Ring) der RC-LH1 Komplex von Rps. acidophila gehört, ganz zu schweigen von einer genauen Vorstellung über die Anordnung der BChl a Moleküle innerhalb des LH1 Aggregates. Es folgt eine kurze Zusammenfassung der Ergebnisse, die im Rahmen dieser Arbeit erzielt wurden.

In einer ersten Reihe von Experimenten wurde der RC-LH1 Komplex von Rps. acidophila wieder aufgegriffen, um daran einzelmolekülspektroskopische Untersuchungen durchzuführen. Dabei wurden die Pigment-Proteinkomplexe durch das relativ milde, nicht-denaturierende Detergens, dodecyl-β-D-maltoside (DDM), stabilisiert, anstatt durch das stärker deaktivierende Detergens, lauryldimethylamine N-oxide (LDAO), welches in einer vorangegangenen Studie verwendet wurde. Insgesamt wurden Tieftemperatur (1.2 K)-Fluoreszenzanregungsspektren von 61 einzelnen, in DDM stabilisierten RC-LH1 Komplexen aufgezeichnet, im Vergleich zu lediglich 24 Komplexen, die in der Vorgängerstudie vermessen wurden. Entsprechend ihrer spektralen Merkmale wurden die Komplexe entweder als intakt oder als defekt eingestuft. Durch die Verwendung von DDM anstatt LDAO als Detergens, konnte der Anteil an defekten (dissoziierten) RC-LH1 Komplexen bedeutend gesenkt werden, nämlich von 37.5% in der Vorgängerstudie auf 11.5% in der vorliegenden Arbeit. Aufgrund der verbesserten Qualität der Stammlösung war es möglich, polarisationsaufgelöste Fluoreszenzanregungsspektroskopie zu betreiben und dabei die Verteilungen der spektralen Merkmale der intakten RC-LH1 Komplexe mit einer verbesserten Statistik aufzunehmen. Sowohl diese Verteilungen als auch charakteristische spektrale Merkmale, wie z.B. eine schmale Linie, die für die meisten Komplexe am roten Ende des detektierten Spektralbereiches auftritt, weisen eine verblüffende Ähnlichkeit mit den Daten von RC-LH1 Komplexen von Rps. palustris auf, die im Rahmen einer früheren Studie aufgezeichnet wurden. Für den Rps. palustris RC-LH1 Komplex ist eine gering aufgelöste Kristallstruktur verfügbar. Aufgrund der vorgenannten Ähnlichkeit der spektralen Merkmale, kommt man damit zu dem Schluss, dass die LH1 Komplexe von Rps. acidophila und Rps. palustris durch dasselbe Strukturmodell beschrieben werden können, nämlich durch eine elliptische Anordnung von BChl a Molekülen, die eine Lücke aufweist. Somit konnte durch die erfolgreiche Anwendung der Tieftemperatureinzelmolekülspektroskopie als einem Werkzeug für strukturelle Untersuchungen zum ersten Mal gezeigt werden, dass der RC-LH1 Komplex von Rps. acidophila eher zu den RC-LH1 Komplexen mit einem unterbrochenen LH1 Aggregat gehört, als zu jenen mit einer komplett geschlossenen LH1 Struktur.

In einer zweiten Reihe von Experimenten wurde der Einfluss der Umgebung auf die Spektren der RC-LH1 Komplexe von Rps. acidophila untersucht. Dabei wurden die Komplexe in Detergens (DDM)-Pufferlösung stabilisiert und in eine Phospholipiddoppelschicht rekonstituiert, und die Ergebnisse wurden mit jenen der ersten experimentellen Reihe verglichen (s.o.), die an DDM-stabilisierten RC-LH1 Komplexen durchgeführt wurde, die zusätzlich in einer Polyvinylalkohol (PVA) Matrix immobilisiert waren (DDM/PVA). Das Ziel dieser Experimente war es zu überprüfen, ob die Immobilisierung der RC-LH1 Komplexe in PVA möglicherweise zu einer Deformation der LH1 Struktur führt und somit die Aussagekraft der mithilfe der optischen Spektroskopie gewonnenen Ergebnisse deutlich einschränkt.
In Ensemble Absorptions- und Fluoreszenzanregungsspektren wurden spektrale Verschiebungen sowohl als Funktion der Matrix, als auch als Funktion der Temperatur beobachtet. Bezüglich zweiterem, wurden bei Abkühlung der Probe unterschiedliche spektrale Verschiebungen in den drei Umgebungen festgestellt. Dies konnte stimmig mit einer Erhöhung des lokalen Druckes auf die Komplexe in der Lipiddoppelschicht und in der DDM-Pufferlösung erklärt werden. Demgegenüber ist für die DDM/PVA Umgebung eine Verminderung des lokalen Druckes vorstellbar, da, aufgrund eines negativen thermischen Expansionskoeffizienten für dünne Polymerfilme unterhalb ihrer Glasübergangstemperatur, unter einer Absenkung der Temperatur, eher eine Expansion als eine Kontraktion des PVA-Filmes zu erwarten ist. Bei Tieftemperatureinzelmolekülmessungen wurde festgestellt, dass die in DDM-Pufferlösung befindlichen Komplexe, ohne zusätzliche Stabilisierung in einer PVA Matrix, schnellen spektralen Dynamiken ausgesetzt sind und somit die Erzielung von aussagekräftigen Ergebnissen mittels der Einzelmolekülspektroskopie verhindert wird. Ferner wurde für die in eine Lipiddoppelschicht rekonstituierten Komplexe aufgedeckt, dass der Rekonstitutionsprozess, im Vergleich zur Aufbereitung der Komplexe in einem PVA-Film, zu einem wesentlich höheren Anteil an defekten Komplexen führt. Jedoch wurde auch festgestellt, dass für die intakten Komplexe die Statistiken der wesentlichen spektralen Merkmale, wie z.B. der spektrale Abstand der Banden und die gegenseitige Orientierung ihrer Übergangsdipolmomente, weitgehend identisch sind, falls entweder eine Lipiddoppelschicht oder PVA als Matrix verwendet werden. Trotz des zusätzlichen Aufwandes, der mit dem Rekonstitutionsprozess verbunden ist, findet man also, im Vergleich zur Einbettung der Komplexe in einer PVA Matrix, einen geringeren Anteil an intakten RC-LH1 Komplexen vor, sowie gleiche Ergebnisse für die maßgeblichen spektralen Eigenschaften. Damit kommt man zu dem Schluss, dass die Immobilisierung dieser Pigment-Protein Komplexe in einer PVA Matrix eine gute Wahl ist, um Tieftemperaturexperimente an einzelnen Lichtsammelkomplexen durchzuführen.

In einem nächsten Schritt wurden die Häufigkeitsverteilungen der spektralen Merkmale der intakten RC-LH1 Komplexe mit den entsprechenden Daten aus numerischen Simulationen unterschiedlicher LH1 Modellstrukturen verglichen. Damit sollten neue Erkenntnisse über die spezifische Anordnung der BChl a Moleküle innerhalb des LH1 Komplexes von Rps. acidophila gewonnen werden. Alle eingeführten LH1 Modellstrukturen lagen innerhalb der Auflösung der Rps. palustris RC-LH1 Kristallstruktur und folglich hatten alle LH1 Modelle eine Lücke in der Anordnung ihrer BChl a Moleküle. Im Vergleich zu einer früheren Simulationsstudie am RC-LH1 Komplex von Rps. palustris, wurden in der vorliegenden Arbeit realistischere Simulationsparameter verwendet, sowohl was den strukturellen Aufbau der RC-LH1 Komplexe angeht, als auch bezüglich der Stärke der elektronischen Kopplung zwischen den Pigmenten.
Zunächst wurden drei unterschiedliche LH1 Modellstrukturen ausgetestet. Bei zwei dieser Modelle wurden starre BChl a Dimereinheiten in gleichbleibenden Abständen auf einer Ellipse oder einem Rechteck mit abgerundeten Ecken platziert, wohingegen im dritten Modell die Positionierung der BChl a Moleküle der unregelmäßigen Anordnung der Pigmente aus der Rps. palustris Kristallstruktur entsprach. Als eine erste Folge der deutlich erhöhten Wechselwirkungsstärke in den Simulationen dieser Arbeit, nimmt die Übergangsenergie der einzelnen Pigmente in allen vorgestellten LH1 Modellen plausible Werte an. Jedoch wurde auch festgestellt, dass keines dieser drei vorläufigen LH1 Modelle in der Lage ist die experimentellen Häufigkeitsverteilungen der spektralen Merkmale der RC-LH1 Komplexe von Rps. acidophila zu reproduzieren. Eine sorgfältige Überprüfung der Lokalisierungsmuster der exzitonischen Zustände offenbarte jedoch, dass die beiden niedrigsten Exzitonzustände eines LH1 Komplexes, k=1 und k=2, jeweils in charakteristischen Bereichen des LH1 Aggregates lokalisieren, nämlich dort wo die Werte der Nächsten-Nachbar-Wechselwirkung zwischen den Pigmenten deutlich erhöht sind. Mit diesem Wissen war es möglich, durch eine minimale Veränderung der Positionen von lediglich vier Dimereinheiten in einem der `regelmäßigen' LH1 Modelle (Rechteck mit abgerundeten Ecken), ein neues LH1 Modell zu generieren, dessen spektrale Eigenschaften sich in zufriedenstellender Übereinstimmung mit den experimentellen Einzelmolekülspektren befinden. Bei den durchgeführten strukturellen Veränderungen orientierte man sich an der RC-LH1 palustris Kristallstruktur und es könnte argumentiert werden, dass sie auf spezifische Wechselwirkungen zwischen RC und LH1 Komplex zurückzuführen sind. Das finale LH1 Modell `übertrifft' das in einer früheren Studie eingeführte, verfeinerte Rps. palustris LH1 Modell deutlich, da für das gegenwärtige Modell sowohl realistischere Simulationsparameter verwendet wurden und es zudem eine wesentlich bessere strukturelle Überlappung mit der Rps. palustris RC-LH1 Kristallstruktur aufweist.
Es sollte allerdings beachtet werden, dass in der einzigen hochaufgelösten Kristallstruktur, die bislang von einem RC-LH1 Komplex zur Verfügung steht, kein Nachweis für die spezifischen Veränderungen an der `regelmäßigen' LH1 Struktur gefunden werden kann. Zudem ist offensichtlich, dass ähnliche strukturelle Veränderungen, wie jene die oben beschrieben wurde, zu weiteren LH1 Strukturen innerhalb der palustris Röntgenstruktur führen können, die in der Lage sind die experimentellen Spektren wiederzugeben. Deshalb wird an dieser Stelle nicht behauptet, dass mit dem finalen LH1 Modell die `einzig wahre' strukturelle Lösung für den LH1 Komplex von Rps. acidophila gefunden wurde. Es wurde jedoch gezeigt wie, im Rahmen eines relativ einfachen Simulationsansatzes (Heitler-London Näherung und Dipol-Dipol Wechselwirkung zwischen den Pigmenten), ein LH1 Modell mit einer regelmäßigen Anordnung der Pigmente verändert werden kann, um eine zufriedenstellende Wiedergabe der experimentellen Verteilungen der spektralen Merkmale zu erreichen. Dementsprechend ist das deutlich wichtigere und allgemeingültige Ergebnis aus diesem Teil der Arbeit, dass in exzitonischen Systemen, in denen die Modulation der Nächsten-Nachbar-Wechselwirkung die bestimmende Größe ist, anstatt der diagonalen Unordnung, die beiden niedrigsten Exzitonzustände in charakteristischen Bereichen des LH1 Aggregates lokalisieren, nämlich gerade dort, wo sich die Maxima der Nächsten-Nachbar-Wechselwirkung befinden. Diese Erkenntnis könnte allgemein, für stark gekoppelte Anordnungen von Pigmenten von Bedeutung sein.

Schließlich deckte, initiiert durch eine kürzlich erschienene Arbeit an LH2 Komplexen von Rps. acidophila, eine sorgfältige Nachuntersuchung der Spektren von individuellen RC-LH1 Komplexen, die als intakt klassifiziert wurden, auf, dass, anstatt der schmalen Linie am niederenergetischen Ende der Spektren, eine breite Bande von geringer Intensität, die rotverschoben im Vergleich zur schmalen Linie auftritt, möglicherweise den tiefsten Exzitonzustand, k=1, der LH1 Komplexe darstellt. In zukünftigen Messungen könnte diese neue Interpretation überprüft werden, indem man gleichzeitig Fluoreszenzanregungs- und Emissionsspektren derselben individuellen RC-LH1 Komplexe aufzeichnet. Entsprechend der Arbeit an den LH2 Komplexen sollte in diesen Spektren das Kriterium für die Identifikation des niedrigsten Exzitonzustandes sein, dass das Emissionsspektrum direkt aus dem spektralen Bereich hervorgeht, in dem sich der niedrigste Exzitonzustand im Anregungsspektrum befindet. Unter Zuhilfenahme der numerischen Simulationen aus dem vorherigen Abschnitt könnte argumentiert werden, dass möglicherweise nicht die lange Lebensdauer des k=1 Zustandes im Vergleich zu den höheren Exzitonzuständen für die charakteristische schmale Linie in den RC-LH1 Fluoreszenzanregungsspektren verantwortlich ist, sondern die Lokalisierung der k=1 und k=2 Exzitonzustände auf entgegengesetzten Seiten des LH1 Aggregates. Dies würde die Relaxation des k=2 Zustandes, dem nun die schmale Linie zugeordnet wird, in den k=1 Zustand beeinflussen, da die Rate für diesen Prozess unter anderem von der räumlichen Überlappung der entsprechenden Exzitonwellenfunktionen abhängt. Folglich könnte es sein, dass, aufgrund der vernachlässigbaren Überlappung der k=2 und k=1 Exzitonwellenfunktionen, die schmale Linie, die vergleichsweise langsame Relaxation des k=2 Zustandes in den k=1 Zustand widerspiegelt. Im Gegensatz dazu wurden für die höheren Exzitonzustände (k≥3) deutlich größere Überlappungen mit der k=1 Exzitonwellenfunktion beobachtet. Dies würde eine schnelle Relaxation dieser Zustände in den k=1 Zustand plausibel machen und entsprechend auch die breiten Banden erklären, die für diese Zustände in den Anregungsspektren beobachtet werden.
Sollte sich diese neue Interpretation der spektralen Eigenschaften als richtig herausstellen, würde dies zum einen die Notwendigkeit unter Beweis stellen, dass gleichzeitig Fluoreszenzanregungs- und Emissionsspektren von individuellen LH Komplexen aufgezeichnet werden müssen, um die Vollständigkeit der Anregungsspektren dieser Komplexe nachzuweisen. Des Weiteren würde dies eine Reinterpretation der Daten nicht nur aus den vorangegangenen Teilen dieser Arbeit notwendig machen, sondern auch von früheren Einzelmolekülstudien an RC-LH1 Komplexen.

Further data

Item Type: Doctoral thesis
Keywords: photosynthesis; Frenkel-excitons; purple bacteria; reconstitution; light-harvesting; fluorescence-excitation spectroscopy
Institutions of the University: Faculties
Faculties > Faculty of Mathematics, Physics und Computer Science
Faculties > Faculty of Mathematics, Physics und Computer Science > Department of Physics
Faculties > Faculty of Mathematics, Physics und Computer Science > Department of Physics > Chair Experimental Physics IX - Spectroscopy of Soft Matter > Chair Experimental Physics IX - Spectroscopy of Soft Matter - Univ.-Prof. Dr. Jürgen Köhler
Faculties > Faculty of Mathematics, Physics und Computer Science > Department of Physics > Chair Experimental Physics IX - Spectroscopy of Soft Matter
Result of work at the UBT: Yes
DDC Subjects: 500 Science > 530 Physics
Date Deposited: 28 Mar 2015 22:00
Last Modified: 12 Jan 2023 07:20