FOTOAKUSZTIKA A FOTOSZINTÉZISKUTATÁSBAN

 

Nagy László

Szegedi Tudományegyetem, Biofizikai Tanszék

6722, Szeged, Egyetem u. 2. e-mail: lnagy@sol.cc.u-szeged.hu

 

A fotoszintetizáló szervezetekben a gerjesztési energiának csak egy része alakul át kémiai energiává, a nagyobbik része a rendszer szempontjából veszteségként a környezetbe adódik. Ez a veszteség lehet fluoreszcencia fénykisugárzás, vagy hő. A fotoszintézis hatékonyságának kvantitatív jellemzésére alkalmas lehet a reakció kémiai termékeinek, de akár a komplementer „veszteségi” folyamatoknak a mérése is. A kémiai termékek (szintetizált szervesanyag-mennyiség) egzakt mérése időigényes és nem könnyű feladat, így gyakrabban a komplementer fluoreszcencia vizsgálatát alkalmazzák. Annak ellenére, hogy a fotoakusztika jelensége mintegy száz éve ismert (1880, Bell), a fotoszintetizáló rendszerek által a környezetbe leadott hőnek a vizsgálata csak napjainkban kezd komolyabb eredményeket felmutatni. Ennek oka természetesen az, hogy a hőmérséklet pontos mérése a legnehezebb feladatok közé tartozik. Az elektro- és számítástechnika napjainkban tudott olyan érzékeny detektorokat, mérőrendszereket előállítani, amelyekkel a hőváltozás okozta nyomásingadozások pontosan mérhetők és kiértékelhetők.

A fotoszintetikus rendszerek gerjesztése után keletkező akusztikus hullámok vizsgálata két klasszikus módszer szerint történhet. Az egyik módszerrel egy zárt cellában elhelyezett minta van kapcsolatban egy érzékeny membrán-mikrofonnal a körülötte levő gázfázison keresztül. Az ilyen rendszer alkalmas növények leveleinek vizsgálatára. Az akusztikus jel a CO2 fogyasztás és O2 termelés, valamint a termikus energiaveszteségből adódó nyomásváltozás eredője. A strukturális változások vizsgálatára, vagy a minta mérés közbeni megváltoztatására (pl. kémiai anyagokkal való kezelésére) ilyen rendszerben nincs lehetőség. Egy másik klasszikus elrendezésben az akusztikus cella egy folyadékot tartalmazó spektroszkópiai küvetta, amelynek (a gerjesztő fény irányára merőleges) oldalához piezokerámiás detektort szorítunk. A minta vagy maga a küvettában levő szuszpenzió, pl. reakciócentrumfehérje, vagy levéldarab is lehet. Ebben az esetben a levél és a detektor közötti csatolást a küvettában levő víz és a küvetta fala hozza létre. Ebben a rendszerben az akusztikus jel két komponensből tevődik össze. Az egyik a termikus energiaveszteség (termális expanzió), a másik a töltésszétválasztás miatti strukturaváltozás a fehérjén belül (elektrostriktív kontrakció). Mivel a küvetta és a benne levő folyadék nyitott rendszert alkot, lehetőség van a minta mérés közbeni módosítására, vegyszerekkel való kezelésére is. Az Weizmann Intézet (Rehovot, Izrael) munkatársaival (S. Malkin, V. Brumfeld, V. Kiss) az utóbbi módszert úgy módosítottuk, hogy a küvettában levő szuszpenzióba nagy érzékenységű hidrofont helyeztünk az akusztikus jelek detektálására. A fényindukált akusztikus jel amplitúdójának hőmérsékletfüggéséből a bíborbaktériumok reakciócentrumában végbemenő töltésszétválasztással együtt járó molekuláris térfogatváltozást és a töltésszétválasztást kísérő termodinamikai paramétereket, szabadentalpia- és entrópiaváltozást számoltuk ki.

Eredményeink azt mutatták, hogy bár az előremenő elektrontranszport termikus aktiváció nélküli, kvantummechanikai (alagút) jelenségen alapuló folyamatokat jelent, a folyamatokat kísérő, a fehérjekörnyezetben bekövetkező konformációs változások jelentős entrópiaváltozással járnak.

 

A vizsgalatokat az Israel National Science Foundation, az OTKA (T 023773) és a Soros Alapítvány támogatta.