On the Kinetics and Quantum Efficiency of the Chlorophyll‐Cytochrome Reaction

We may summarize our studies of the primary biochemical event of bacterial photosynthesis by stating that it is a reaction which proceeds with a quantum efficiency of 1 electron transferred per quantum absorbed by the chlorophyll. It is a fast reaction: at room temperature, oxidation occurs in less than 20 μsec, and the rate appears to be only slightly sensitive to temperature. The mechanism by which the electron is transferred from cytochrome to chlorophyll remains a matter of great interest. It is probable that a charge transfer complex exists, and that the electron transfer reaction involves the heme-linked imidazole group of cytochrome c. The role of chlorophyll in the reaction requires special comment: although absorbancy changes in chlorophyll are observed in studies of purple bacteria by Clayton [14], and of green plant systems and algae, first by Kok [15–17] and then by Witt [18–20], the role of chlorophyll compounds in the electron transfer process remains obscure. Not only have we demonstrated that the electron transfer reaction takes place in the purple bacteria without a measurable steady state concentration of a chlorophyll intermediate [10], but now our kinetic data show that the lifetime of any such intermediate must be less than 20 μsec. These results rule out the possibility of detecting, with presently available methods, any concentration of the chlorophyll intermediate, for if the electron transfer reaction can occur in less than 20 μsec, then indeed a chlorophyll intermediate must have an even shorter lifetime. Thus, the long-lived intermediates that have been reported by Clayton and others may be due to side reactions involving chlorophylls not adequately equipped with electron donor and acceptor traps. It is of the greatest importance for those who study green cells to consider this result carefully. Das biochemische Primarereignis der bakteriellen Photosynthese ist eine Reaktion, die mit einer Quantenausbeute von 1 Elektron (ubertragen) je Quantum (durch Chlorophyll absorbiert) verlauft. Es ist eine schnelle Reaktion: bei Zimmertemperatur verlauft die Oxidation in weniger als 20 μsec, der Umsatz scheint nur schwach temperaturabhangig zu sein. Der Mechanismus, durch den Elektronen vom Cytochrom auf Chlorophyll ubertragen werden, ist von grosem Interesse. Es ist wahrscheinlich, das ein Elektronenuberfuhrungs-Komplex existiert und das die elektronenubertragende Reaktion uber die Haem-Imidazol-Gruppierung von Cytochrom c zustande kommt. Zur Rolle des Chlorophylls bei der Reaktion ist folgendes zu sagen: obwohl Absorptionsanderungen im Chlorophyll bei der Untersuchung von Grunpflanzensystemen und Algen zuerst durch Kok [15-17], spater durch Witt [18-20] beobachtet wurden, ist ihre Rolle bei der Elektronenubertragung unklar. Wir haben nicht nur gezeigt, das der elektronenubertragende Prozes bei Purpurbakterien ohne eine merkbare stationare Konzentration eines Chlorophyll-Zwischenproduktes ablauft, sondern auch auf Grund unserer kinetischen Daten nachweisen konnen, das die Halbwertszeit eines solchen Zwischenprodukts kleiner als 20 μsec sein mus. Diese Ergebnisse schliesen die Moglichkeit aus, mit den zur Zeit vorhandenen Methoden irgendeine Konzentration eines Chlorophyll-Zwischenprodukts uberhaupt nachzuweisen, denn wenn die elektronenubertragende Reaktion in weniger als 20 μsec stattfinden kann, mus in der Tat ein Chlorophyll- Zwischenprodukt eine noch kurzere Halblebenszeit haben. Zwischenprodukte von langerer Lebensdauer, die von Clayton [14] und anderen beobachtet wurde, mussen also durch Nebenreaktionen zustande kommen, bei denen Chlorophyll nicht ausreichend mit Elektrondonor- und Akzeptorsystemen ausgestattet ist. Diese Tatsache ist fur jeden von groster Bedeutung, der grune Zellen untersucht.