Inhaltsverzeichnis
Tabelle der SI-Einheiten XII Einleitung XIV
Teil I Allgemeine Photophysik 1 1 Physikalische Grundlagen 2 1.1 Das elektromagnetische Spektrum 2 1.2 Die Wellennatur des Lichtes 4 1.3 Quanteneigenschaften des Lichtes 5 1.4 Die physikalischen Eigenschaften des Lichtes 6 1.4.1 Strahlungsenergetische Größen 6 1.4.2 Photometrische Größen 9 1.5 Gesetze der Optik 12 1.5.1 Geometrische Optik 12 1.5.2 Die physikalische Optik 17 1.6 Literatur 21 2 Strahlungsquellen 23 2.1 Natürliche Strahlung 24 2.1.1 Strahlenklima 26 2.1.1.1 Globalstrahlung und ihre Komponenten 26 2.1.1.2 Ozongefüge und UV-Strahlung 28 2.2 Künstliche Strahlung 30 2.2.1 Temperaturstrahler 30 2.2.2 Entladungslampen 31 2.2.2.1 Niederdruck-Entladungslampen 31 2.2.2.2 Hochdruck-Entladungslampen 32 2.3 Literatur 34 3 Absorption und Wellenlängenselektion 35 3.1 Strahlenabsorption 35 3.2 Quantenausbeute 37 3.3 Aktionsspektren 39 3.4 Filtertypen 41 3.4.1 Wellenlängenneutrale Filter 42 3.4.2 Wellenlängenselektive Filter 42
VIII innansverzeicnnis
3.4.3 Polarisationsfilter 47 3.5 Monochromatoren 49 3.6 Literatur 51 4 Strahlungsmessung 53 4.1 Selektive Strahlungsempfänger 53 4.1.1 Äußerer Photoeffekt 54 4.1.2 Innerer Photoeffekt 57 4.2 Strahlungsmessung durch Energiewandlung 60 4.3 Quantenzähler und Aktinometer 61 4.4 Spektralphotometer 62 4.5 Literatur 68
Teil II Allgemeine Photochemie 71 5 Angeregte Zustände und deren Relaxation 72 5.1 Anregung von Atomen 72 5.2 Absorption durch Moleküle 75 5.2.1 Molekülorbitale 75 5.2.2 Angeregte Zustände 76 5.2.3 Photochemisch wichtige Elektronenübergänge 79 5.3 Schwingungsenergie der Atomkerne 82 5.4 Literatur 85 6 Photochemische Reaktionen und Energieübertragung . . . 86 6.1 Photodissoziation 86 6.2 Isomerisation und Konformationsänderung 86 6.3 Energieübertragung zwischen Molekülen 87 6.3.1 Fluoreszenzlöschung 88 6.3.2 Energieübertragung durch Strahlung 88 6.3.3 Strahlungslose Energieübertragung 89 6.3.3.1 Elektronenaustausch 89 6.3.3.2 Energieübertragung durch Resonanz 90 6.3.3.3 Excitonen- und Ladungswanderung 90 6.4 Bimolekulare photochemische Reaktionen 92 6.4.1 Photoreduktion 93 6.4.2 Photodynamische Reaktionen 93 6.5 Folgeprozesse 94 6.5.1 Protonengradient und Membranpotential 94 6.6 Literatur 97 7 Bio- und Chemilumineszenz 98 7.1 Chemilumineszenz 98 7.2 Biolumineszenz 100 7.2.1 Bakterien 101 7.2.2 Eukaryonten 102 7.3 Literatur 104
Inhaltsverzeichnis IX
Teil III Photobiologische Prozesse 107
A Lichtabsorption zur Energiegewinnung 109 8 Halobacterium 110 8.1 Literatur 116 9 Photosynthese 118 9.1 Einführung 118 9.2 Zusammensetzung und Struktur der Chloroplasten . . . 122 9.3 Photosynthetisch aktive Pigmente und ihre Funktion . . 127 9.3.1 Chlorophylle 129 9.3.1.1 Chlorophyll-Protein-Komplexe 132 9.3.1.2 Chlorophyll-Fluoreszenz 133 9.3.1.3 Chlorophyll-Fluoreszenz und Energietransfer 136 9.3.2 Carotinoide 137 9.3.2.1 Funktion 140 9.3.3 Phycobiliproteine 141 9.4 Photosynthetischer Elektronentransport 143 9.4.1 Elektronentransport und Primärreaktionen der
Photosysteme 145 9.4.1.1 Photosystem II 146 9.4.1.2 Photosystemi 150 9.4.2 Künstlicher Elektronentransport und Hemmstoffe . . . 151 9.4.3 Das Zusammenwirken der Photosysteme 153 9.4.4 Elektronentransport, pH-Gradient und
Photophosphorylierung 154 9.4.4.1 Mechanismus der ATP-Bildung 155 9.5 Bakterienphotosynthese 157 9.5.1 Purpurbakterien 157 9.5.2 Grüne Bakterien 159 9.6 Photosynthetische CO2-Assimilation 160 9.6.1 CC>2-Fixierung und Reduktion in C3-Pflanzen 161 9.6.2 CO2-Fixierung und Reduktion in C4-Pflanzen 161 9.6.3 CAM-Pflanzen 165 9.6.4 Photorespiration 166 9.6.5 Lichtaktivierung von Photosynthese-Enzymen 168 9.7 Physiologie der Photosynthese 169 9.7.1 Photosynthese und Bestrahlungsstärke 171 9.7.1.1 Photoinhibition 173 9.7.2 Strahlungsqualität 173 9.8 Literatur 176
Inhaltsverzeichnis
B Lichtsteuerung 179 10 Photomorphogenese 180 10.1 Einführung 180 10.2 Phytochromsystem 182 10.2.1 Biochemische, photophysikalische und
photobiologische Eigenschaften in vitro 185 10.2.2 Vorkommen und Lokalisation 190 10.2.3 Phytochromsystem in vivo 190 10.2.3.1 Induktive Photomorphosen 195 10.2.3.2 Dauerlicht-Morphosen 200 10.2.4 Wirkungsweise des Phytochromsystems 206 10.3 Blaulichtabhängige photomorphogenetische
Reaktionen 210 10.4 Photomorphosen bei Pflanzen 215 10.4.1 Keimung 216 10.4.2 Vegetatives Wachstum 219 10.4.3 Organellen-Entwicklung 227 10.4.3.1 Piastiden 227 10.4.3.2 Mitochondrien 233 10.4.3.3 Peroxisomen 233 10.5 Photomorphogenese bei Tieren 234 10.6 Literatur 234 11 Lichtabhängige Rhythmik 239 11.1 Einführung 239 11.2 Exogen induzierte Rhythmen 241 11.3 Endogene Rhythmen 242 11.3.1 Synchronisation der endogenen Rhythmik 243 11.3.2 Molekulare Mechanismen der circadianen Rhythmen . 248 11.4 Photoperiodismus 251 11.4.1 Photoperiodismus des Blühens 252 11.4.2 Photoperiodismus bei Tieren 261 11.5 Literatur 263 12 Lichtabhängige Bewegungsreaktionen 266 12.1 Freibewegliche Organismen 266 12.1.1 Phototaxis 269 12.1.1.1 Mechanismen der phototaktischen Orientierung 269 12.1.1.2 Photorezeptorpigmente 276 12.1.2. Photokinesis 278 12.1.3 Photophobische Reaktionen 279 12.2 Bewegungen sessiler Organismen 283 12.2.1 Phototropismus 283 12.2.1.1 Phycomyces 283 12.2.1.2 Avena 288
Inhaltsverzeichnis XI
12.2.2 Photonastien 291 12.3 Intrazelluläre Bewegungen 294 12.4 Literatur 297 13 Molekulare Grundlagen des Sehvorganges 300 13.1 Struktur des Auges und der Sehzellen 300 13.2 Photochemische Primärreaktionen 304 13.3 Elektrochemische Folgeprozesse 305 13.3.1 Wirbellose 306 13.3.2 Wirbeltiere 309 13.4 Literatur 312 14 Biologische Wirkungen ultravioletter Strahlung 315 14.1 Interaktionen der UV-Strahlung mit
molekularen Systemen 315 14.1.1 Absorption und Wirkung 315 14.1.2 Photoreaktionen in Nukleinsäuren 318 14.1.3 Photoreaktionen in Proteinen, Lipiden und
Membranen 319 14.2 Interaktionen der UV-Strahlung mit zellulären
Systemen 320 14.2.1 Überlebensverhalten 321 14.2.2 Reparaturmechanismen 322 14.2.2.1 Exzisionsreparatur 322 14.2.2.2 Photoreaktivierung 323 14.2.2.3 Postreplikationsreparatur 325 14.2.3 UV-Effekte auf Mikroorganismen, Invertebraten,
Säugerzellen 325 14.2.4 UV-Wirkungen auf Vertebraten 326 14.2.4.1 Erythemwirksamkeit 326 14.2.4.2 Mutagenese und Karzinogenese 327 14.2.5 UV-Effekte bei Pflanzen 329 14.3 UV-Strahlung und Evolution 330 14.4 Literatur 331 Sachverzeichnis 333
